X70管线钢的瞬时液相扩散焊接头组织和力学性能

王 磊，俞建荣，岳 龙

（1.北京石油化工学院机械工程学院，北京102617；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）

X70管线钢的瞬时液相扩散焊接头组织和力学性能

王 磊1，2，俞建荣1，岳 龙1

（1.北京石油化工学院机械工程学院，北京102617；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）

对X70管线钢进行瞬时液相扩散焊接，采用热电偶测温，氩气作为保护气，铁镍非晶体箔片作为中间层，在焊接压力3MPa、双温焊接工艺条件下，分析不同保温温度和保温时间对焊缝接头金相组织和力学性能的影响。结果表明，高温1210℃～1230℃，保温1180℃～1200℃，保温时间4～8min条件下，焊缝抗拉强度均强于母材。通过观察焊缝分析和拉伸断口形貌，保温温度和保温时间对中间层元素扩散效果影响很大。

X70管线钢；瞬时液相扩散焊；金相组织；力学性能

0 前言

随着长距离油气管道建设的发展，对管道用钢的性能要求越来越高，具有良好韧性和强度的管线钢在油气运输领域中得到了广泛应用[1]。目前管线钢的主要焊接方法有熔化焊（MAG焊、TIG焊）、埋弧焊等，需要采用熔化焊材连接焊接件的方法，焊接温度高、受热不均匀、残余应力大、易产生裂纹[2]。

瞬时液相扩散焊（Transient liquid phase diffusion bonding，简称TLP）是1974年由David S.Duvall等人提出的。工作原理为：焊接过程中，在待焊材料之间添加带有降熔元素熔点比母材低的中间层（厚度1～100μm），在一定焊接压力和焊接温度下（温度约0.6～0.8Tm）实现母材连接的过程。TLP具有焊接温度低、残余应力小、自动化程度高等优点[3-4]。本研究采用TLP技术焊接管线钢X70，分析X70钢的TLP焊接接头的力学性能、显微组织以及中间层元素扩散情况。

1 试验材料和方法

母材采用外径φ76mm、壁厚4mm的X70管线钢管道，管线钢主要成分为：w（C）=0.05％、w（Si）=0.19％、w（Mn）=1.54％、w（Ni）=0.2％、w（Cr）=0.2％、w（Mo）=0.1％；抗拉强度大于等于570MPa。中间层材料选用厚25μm的铁镍非晶体箔片，主要成分为：w（Si）=5％、w（Ni）=30％、w（B）=6％、w（Cr）=5％、w（Mn）=1％、w（Fe）为余量，熔点1100℃～1130℃。焊接管道端面进行车床加工，保证焊接端面的光洁度和垂直度，粗糙度控制在6.3μm，加工后的焊接端面经过酒精清洗，去除表面油污杂质。

焊机采用PBWT-φ76管道瞬时液相扩散焊机，热电偶（镍硅-镍铬）测温，在开放环境中进行管道对接焊接，氩气保护。如图1所示，管道固定在焊机上，中间层放置在待焊管道端，热电偶点焊在焊缝附近位置，液压装置夹紧管道并沿着管道轴向提供一定压力，通入氩气保护气体，设定好焊接参数（温度、时间、压力）进行焊接。焊接采用双温加热工艺[5-7]，为了提高接头受热的均匀性加热到900℃，保温20 s，在1 230℃下保温20 s，然后在1 160℃～1 200℃保温4～8min，焊接压力3MPa，焊接工艺如表1所示。采用WDW-50型力学实验机进行拉伸和弯曲试验；采用OLYMPUSCK40M观察焊缝金相组织，按照金相组织观察标准对观察表面进行打磨，经4％硝酸溶液进行酸洗腐蚀，扫描电子显微镜SSX-550进行断口形貌观察。

图1 焊接设备

表1 焊接工艺

2 试验结果和分析

2.1 金相分析

放大倍数为500的金相组织观察如图2所示。温度1 160℃时，在焊缝位置出现黑色脆性物质，形成原因是焊接温度低，接头等温凝固没有完成，大量降熔元素残留。温度达到1 180℃时，残留黑色物质减少，焊缝厚度变窄，中间层元素发生进一步扩散，只存在少量点状脆性物质。等温凝固温度进一步升高，温度达到1 200℃时，中间层扩散效果好，无残余的中间层痕迹。当焊接温度为1 180℃，等温凝固时间增加到480 s时，由于焊接时间长，焊缝区宽度进一步降低，中间层与母材连接界面模糊，焊接质量提高。

图2 不同连接工艺下的金相组织

2.2 力学分析

对焊缝区域的试样进行力学性能分析，如图3所示。随着温度升高，接头抗拉强度提高，弯曲性能提高。试样3、4中断裂位置均发生在母材，焊缝的力学性能高于母材；焊缝位置进行正面反的弯曲试验，焊缝处没有出现裂纹。试样1、2断裂位置出现在焊缝，无缩孔现象，焊缝强度低于母材，断裂方式主要为脆性断裂，由于温度较低时，中间层扩散速度慢，短时间无法完成TLP焊接，焊缝位置残余合金元素，出现脆性相；焊缝位置进行弯曲试验，焊缝处出现裂纹，试验不合格。试样3中，温度提高，中间层扩散效果好，焊缝位置晶粒生长均匀，焊缝组织与母材相似。试样4中，当焊接时间提高时，有利于中间层的扩散，扩散更加充分，焊缝组织更加均匀。

图3 试样力学性能

2.3 拉伸端口分析

通过电子显微镜扫描观察断口，放大500倍的断口形貌如图4所示。图4a为保温温度1 600℃时焊缝断口的形貌，可以看出断裂形势为脆性断裂，裂纹扩展的途径为晶间断裂，由于焊接温度低，焊缝位置残留大量中间层元素，导致焊缝位置出现了夹杂物，使材料晶粒强度降低。当焊接温度升高，保温时间提高，中间层元素扩散充分，残余物减少，焊缝力学性能提高。图4b所示为合格试样拉伸断口的形貌，断口位置出现在母材，断口表面出现大小深浅不同的韧窝，断口形貌为穿晶断裂的韧窝断口形貌。

图4 拉伸断口形貌

3 结论

采用双温工艺TLP焊接X70管线钢，通过对焊缝的金相观察和力学分析，得出以下结论：

（1）采用TLP双温焊接工艺，接头焊接效果好，变形小，能获得合格的焊缝接头。

（2）采用铁镍合金中间层能够实现X70管线钢的TLP焊接，焊接压力3MPa，加热温度1 180℃～1 200℃，焊接时间4～8min，接头的抗拉强度高于母材，弯曲180°焊缝无裂纹。

（3）断口形貌观察表明，保温温度和保温时间对中间层元素的扩散效果以及晶体再结晶过程影响很大。

[1]张伟卫，熊庆人，吉玲康.国内管线钢生产应用现状及发展前景[J].焊管，2011，34（1）：5-8.

[2]张敏，赵鹏康，王文武.连续油管TIG焊接热影响区组织及性能热模拟分析[J].兵器材料科学与工程，2011（1）：31-34.

[3]张贵锋，张建勋，王士元.日本液相扩散焊（TLP）钢管对焊技术研究近况[J].焊管，2003，26（5）：56-61.

[4]张远辉，王非森，张安民.瞬时液相扩散连接工艺参数及应用研究进展[J].热加工工艺，2010，39（9）：163-167.

[5]陈思杰，井晓天，李辛庚.瞬时液相扩散连接的双温工艺模型[J].焊接学报，2005，26（4）：69-72.

[6]ShirzadiAA，Wallach ER.Analyticalmodellingof transient liquid phase(TLP)diffusion bonding when a temperature gradientis imposed[J].ActaMaterialia，1999，47（13）：3551-3560.

[7]陈思杰，何平安.石油连续管瞬时液相扩散焊双温工艺接头的组织与性能[J]，热加工工艺，2014，43（17）：181-183.

M icrostructure and mechanical properties of X70 pipeline steel in the transient liquid phase diffusion bonding

WANG Lei1，2，YU Jianrong1，YUE Long1
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institute，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2.Electromechanicalengineering Institute，BeijingUniversityofChemicalTechnology，Beijing 100029，China）

Through the study of the transient liquid phase diffusion bonding of X70 pipeline steel with thermocouple thermometry，argon as shielding gas，amorphous iron nickel foil as an intermediary，welding stress in 3 MPa and two-step temperature welding process，the microstructure and mechanical properties of welded joint at different holding temperature and time，were analyzed.The weld strength are stronger than the parentmetalwith 1 210℃～1 230℃high temperature，1 180℃～1200℃holding temperature and 4～8min holding time.Through themorphology observation on tensile fracture，the heat preservation temperature and holding time have a great influence on themiddle layer element diffusion.

X70 pipeline steel；transient liquid phase diffusion bonding；microstructure；mechanical property

TG457.6

A

1001-2303（2015）07-0107-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.23

2014-10-30；

2015-01-17

王磊（1989—），男，安徽人，在读硕士，主要从事异种金属的瞬时液相扩散焊的研究。