CT70 级低合金高强度油管用钢激光焊焊接接头性能研究*

张万鹏 ， 张阿昱 ， 宋红兵 ，宋海辉 ， 符利兵 ， 杨 奎， 牛爱军

（1. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡721008； 2. 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院， 陕西 宝鸡721008； 3. 北京隆盛泰科石油管科技有限公司， 北京100101）

0 前 言

激光焊 （laser welding） 是将激光束聚焦后作为能源进行焊接的方法。 激光焊具有能量密度高、 穿透性强、 高精度等优点。 激光焊时， 焊接设备与焊件之间没有机械接触和相对移动， 有利于实现自动化生产和焊缝的在线质量监控。 激光焊可以焊接多种材料， 所有采用常规方法进行焊接的材料以及具有冶金相容性的材料都可以采用激光进行焊接， 一些难以采用常规方式焊接的材料， 也可以用激光进行焊接， 因而激光焊技术在焊接加工领域获得了广泛认可与飞速发展。

20 世纪70 年代， 激光焊技术开始应用于超薄板焊接中， 并最先由美国在20 世纪90 年代开始将其应用于油气输送管道的焊接。 在我国， 激光焊技术不但在汽车、 医疗器械等领域获得了广泛应用， 也在油气输送领域得到了应用， 如激光-电弧焊技术应用在西气东输工程中。 激光焊与传统电弧焊方法相比， 其焊接效率高， 而且焊接质量也具有优势； 与感应焊相比， 激光焊制管时不需要挤出毛刺工序， 因而也省去了清理焊缝毛刺的麻烦。 此外， 在激光焊中通入保护气体，焊缝的氧化情况可得到很大改善， 激光焊管的焊缝质量也得以大幅提升。 采用激光焊接技术进行高端油气管的生产具有很好的应用前景。 实践证明， 这一技术在管道焊接中的应用大幅度提高了管道的焊接质量[1-6]。

油气采收集输要用到大量焊接钢管及无缝钢管， 其中焊接钢管主要采用高频感应焊接（HFW） 工艺生产， 而较为高端的油气用管材长期以来多采用无缝钢管生产。 与无缝钢管相比，HFW 钢管具有尺寸精度高、 抗挤毁性能好等优点， 但其焊缝容易出现氧化物夹杂或冷焊等缺陷， 对焊缝冲击韧性和抗腐蚀性能等会造成损害， 也会对管体承压能力产生一定影响， 因而HFW 钢管的可靠性一直是油田用户担心的问题，影响了其在油田的推广。 国内外焊管制造企业针对HFW 钢管的焊缝可靠性问题开展了大量研究工作， 获得了大量研究成果， 并采取了各种措施来改善HFW 钢管的焊缝质量， 如宝鸡石油钢管有限责任公司针对HFW 钢管的焊缝质量开发了SEW无缝化技术， 大大提高了HFW 钢管的焊缝质量，也为焊管产品的升级与推广打下了基础[7-20]。

在国内， HFW 钢管在石油、 天然气领域的推广应用还有很多问题需要解决， 对一些重要产品来讲， 激光焊也是一种可供选择的替代方案。本研究选择一种低合金高强度油管用钢进行了激光焊接试验， 并对其焊接接头性能进行了系统研究评价， 为相关产品的工艺改进提供参考。

1 试验方法

试验材料选取了CT70 级油管用钢， 厚度为3.3 mm， 采用机械剪切方式加工成尺寸为200 mm×150 mm 焊接试板， 其化学成分见表1。

表1 焊接试板化学成分%

焊前对试板进行清洗打磨， 用夹具对试板进行组对和定位。 焊接设备采用YLS-10000 光纤激光焊接机， 功率为3 500 W， 焊接机头行进速度为1.5 m/min， 离焦量为0， 焊接时采用氩气保护。

完成焊接后取焊缝横向金相试样， 使用不同粒度砂纸打磨抛光后， 采用4%的硝酸酒精溶液侵蚀试样， 采用ZEISS Axio ImagerM2m 金相显微镜对试样进行金相观察并照相。

采用THVS-50 数显式显微维氏硬度计进行硬度测试， 测试位置垂直于焊缝， 以焊缝为中心对称取点进行显微硬度测试。

拉伸试验按GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第一部分》 相关要求进行， 沿焊缝横向取全厚度板状拉伸试样， 拉伸试样形状与尺寸如图1 所示。 拉伸试验所用设备为250 kN MTS 电液伺服试验机； 断口形貌采用MERLIN Compact 场发射扫描电镜进行观察。

图1 拉伸试样形状与尺寸示意图

冲击试验按GB/T 229—2007 《金属夏比缺口冲击试验方法》 相关要求进行， 冲击试样为减薄试样， 厚度2.5 mm， 长度55 mm、 宽度10 mm，冲击试验所用设备为数显半自动冲击试验机， 选用250 J 的冲击摆头， 室温冲击； 断口形貌采用超景深3D 形貌显微镜VHX-5000 进行观察。

沿焊缝横向取正弯、 反弯试样各3 个， 焊缝位于试样中心， 弯曲试验压头直径为10 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 焊缝成形质量

完成焊接后的试板如图2 所示， 其焊缝呈银白色的金属光泽， 焊缝表面平整、 连续， 没有明显的外观缺陷。 焊接时未采用填充材料， 焊缝背面有微量凸起， 焊缝正面有轻微凹陷， 但是凹陷程度很小， 焊缝总体成形良好。

图2 焊缝外观及横截面宏观形貌

2.2 焊接接头组织

图3 激光焊接接头宏观形貌及金相组织

激光焊接接头金相组织如图3 所示。 其宏观形貌如图3 （a） 所示， 接头上表面有略微凹陷， 下表面有较小的余高， 焊缝区域较窄， 焊缝上表面约3.5 mm， 中部约2 mm； 母材组织以多边形铁素体 （白色） 为主， 还含有少量的珠光体条带 （黑色， 见图3 （b））； 热影响区组织观察显示， 其铁素体晶界处有粒状贝氏体及碳化物析出 （见图3 （c））； 熔合区有针状铁素体析出 （见图3 （d））； 焊缝区由于温度高， 焊接接头整体冷却速度快， 铁素体转变为粗大的块状， 块状之间的小岛状组织为粒状贝氏体，灰色小颗粒为奥氏体分解不完全的富碳奥氏体（见图3 （e））。

2.3 显微硬度

对试样接头进行显微硬度测试， 所测焊接接头显微硬度分布如图4 所示。

图4 焊接接头显微硬度分布

图5 拉伸试验前后试样的实物照片

由图4 中可以看出， CT70 母材硬度约210HV～220HV， 焊缝硬度明显高于母材， 硬度值最高达401.3HV。 激光焊方法由于能量集中， 冷却速度快， 焊缝及近缝区载硬度出现明显上升。 因而当对产品焊缝区域硬度有要求时， 应对激光焊缝进行焊后处理或采取其他必要的措施降低其硬度。

2.4 拉伸试验

拉伸试验前后试样实物照片如图5 所示。 由图5 可以看出， 母材拉伸试样在试样中心断裂， 焊接接头拉伸试样在试样中心母材处断裂， 偏离试样中心激光焊缝处。

图6 拉伸试样应力-应变曲线

拉伸试样应力-应变曲线如图6 所示。 在图6 （a） 中， 3 个试样的的屈服强度分别是469 MPa、 474 MPa、 484 MPa， 抗拉强度分别是575 MPa、 580 MPa、 589 MPa。 图6 （ b）中， 3 个试样的的屈服强度分别是454 MPa、452 MPa、 451 MPa， 抗拉强度分别是562 MPa、561 MPa、 552 MPa。

母材与焊接接头的拉伸性能见表2。 由表2可以看出， 管材试样的屈服强度和抗拉强度高于板材试样， 同样取样位置的母材区强度略高于焊缝区强度。

拉伸试验后的断口微观形貌如图7 所示。 拉伸试样断口宏观形貌可见明显的颈缩， 呈纤维状，颜色灰暗， 为韧性断裂， 材料的塑性变形能力较好。 图7 （a） 为母材的微观断口形貌， 呈解理+韧窝形貌， 表现出撕裂棱与韧窝交替分布的特征。 宏观断口有明显的塑性变形， 且颜色灰暗。 图7 （b）为焊缝的微观断口形貌， 呈明显的韧窝形貌。 宏观断口处有颈缩， 颜色灰暗， 有锥状剪切唇， 断裂方式为韧性断裂。 韧窝中可看到少量解理台阶。

表2 母材和焊接接头的抗拉性能

图7 拉伸试样断口形貌

2.5 冲击试验

本次试验制备的冲击试样为55 mm×10 mm×2.5 mm 小规格试样， 冲击试样照片如图8 所示。母材与焊缝试样的冲击功见表3。 2 种试样的冲击功值约30 J， 母材与焊缝冲击功大小接近。

图8 冲击试验前后试样的实物照片

图9 冲击试样断口形貌

冲击断口形貌如图9 所示。 宏观断口形貌 “闪亮” 部分即为解理断裂部分， 根据GB/T 229—2007 《金属夏比缺口冲击试验方法》 要求对断口形貌进行分析。 经分析得出母材冲击试样的剪切面积为96%， 焊缝冲击试样的剪切面积为100%。

图10 弯曲试验后的试样形貌

2.6 弯曲试验

弯曲后的试样形貌如图10 所示。 经过180°弯曲以后， 激光焊的正弯和背弯试样均无裂纹，显示出良好的塑性变形能力。

3 结 论

（1） CT70 级低合金高强度油管用钢采用适当的激光焊接工艺进行焊接后， 其焊接接头整体成形良好， 无外观缺陷。

（2） 对焊接接头进行全面性能检测， 并与母材性能进行对比， 除硬度上升明显外， 焊接接头其他性能与母材相当， 呈现良好的综合力学性能。

（3） 激光焊接工艺可用于CT70 级油管用钢的焊接与相关产品的制造。