钛-钢爆炸复合板熔焊对接过渡层焊接材料

2018-09-19史倩茹吴伟刚

材料工程 2018年9期

史倩茹，张敏，吴伟刚

(1 西安航空学院材料工程学院，西安 710077； 2 西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048)

随着石油天然气使用量的不断增长，油气的长距离运输需求使得油气管道向高强韧、大口径不断发展。然而，近年来油气泄漏、管道腐蚀开裂事故频发，传统的管线钢已不能满足新形势下油气运输管道的强韧、耐腐蚀要求[1-3]。纯不锈钢或钛合金管道成本过高，钛-钢复合板集钛的高耐腐蚀性、管线钢的高强度于一体，保证了设备强度，提高了管道耐腐蚀性，在石油管道、海洋工程、航空、航天等领域有着很大的应用潜能[4-5]。目前，国内外钛-钢复合板多采用钛与钢互不相溶的搭接方式焊接，但该方法难以在复合管焊接中应用[6-8]。这是由于钛、钢热物理性差异较大，相溶性极小，且极易形成低熔点共晶体和Ti，Fe金属间脆性化合物，直接影响接头性能[9-12]。解决钛-钢复合板熔焊对接过渡连接问题是推进其工程化应用的关键[13-16]。本工作通过研究复合板特殊的结构特性，分析钛-钢冶金结合困难、复合板界面适配及钛侧焊缝氧化等问题，设计了复合板熔焊对接特殊坡口形貌、焊缝过渡方式、焊接材料及匹配焊接工艺，通过焊接实验及接头组织、性能分析，得到了可实现钛-钢复合板熔焊对接的过渡层(近钛层、近钢层)焊接材料及匹配工艺，为钛-钢复合板在油气管道的应用提供了理论参考。

1 实验材料与方法

实验选用2块尺寸为160mm×180mm×16mm 的TA1-X80双金属复合板作为母材，编号分别为A(近钛层采用Ti-Al-Mo焊接)，B(近钛层采用Ti-Ni-Al焊接),其中，TA1厚度为2mm，X80厚度为14mm。对接实验用Y型坡口示意图如图1所示。

图1 复合板对接实验坡口示意图Fig.1 Schematic diagram of composite plate docking test

根据钛及钛合金物理、化学性能分析，结合TA1常温下的晶粒组织特点[17]，选择TC4钛合金焊丝作为钛层焊接材料；根据TA1及X80母材组织特点[18-20]，设计近钛层+近钢层双层过渡方式。根据过渡层在焊缝中所处位置及组织上的逐层过渡要求，结合合金元素对焊缝组织相组成的影响规律，选择Ti-Al-Mo，Ti-Ni-Al两种合金系(合金粉)作为近钛层焊材合金系[21-24]，编号为近钛1#、近钛2#，A试板近钛层采用近钛1#，B试板近钛层采用近钛2#；近钢层均选用φ1.2mm的Ni-Cr-Fe焊丝；钢层均选用φ1.2mm的YC-GX80管线钢专用焊丝。钛层，近钛层，近钢层，钢层焊接方法分别为TIG焊，等离子喷焊，TIG焊，MIG焊，焊接电流分别为90～95，110～115，120～125，160～180A。

金相测试和扫描测试均在焊板端部距离焊缝边缘2cm处取一个包括热影响区的试样。两个实验分别在GX71倒置金相显微镜和JSM-6700F场发射扫描电子显微镜上进行。拉伸实验使用板状比例试样，取样部位垂直于焊缝横截面正中心，冲击实验为V形缺口标准试样，缺口开在焊缝中心，拉伸与冲击试样钛层与钢层厚度比均为1∶7。拉伸实验和冲击实验分别在HT-2402电脑控制万能试验机和JB-300B冲击试验机上进行。在WE-10型液压万能材料试验机、TUKON2100显微硬度机上进行弯曲实验和硬度实验。

2 结果与讨论

2.1 接头微观组织特征

2块试板各层的焊接方法相同，钛层均选用TC4钛合金焊丝，钢层均采用YC-GX80管线钢专用焊丝，故A板与B板TC4焊缝与钛侧母材TA1的结合效果及YC-GX80焊缝与钢侧母材X80的结合效果相同。图2为A试板TC4钛焊缝/母材TA1及YC-GX80钢焊缝/母材X80的结合金相图。

图2 A试板TC4/TA1(a)及YC-GX80/X80(b)结合OM像Fig.2 OM images of TC4/TA1(a) and YC-GX80/X80(b) of test plate A

由图2(a)可知，TC4焊缝与母材钛熔合较好，在钛表面形成了约50μm的熔合区，其上密布着黑色颗粒状质点。母材一侧组织变化不大，均为细小的颗粒状α等轴晶，TC4焊缝主要为颗粒状组织，组织较为细小。有部分母材钛溶入到TC4焊缝中，与TC4焊缝形成交错组织。在靠近熔合线附近TC4焊缝组织比较细小，多为条状或小块状形貌，这是由于在该处温度降低过快，晶粒来不及长大，且母材中部分元素扩散到了TC4焊缝中，增加了焊缝形核质点，细化了晶粒。在远离熔合线一侧的TC4焊缝组织逐渐变大，呈长条状。由图2(b)可知，YC-GX80焊缝与母材X80无过渡区，即焊缝与母材组织基本相同，均为铁素体和珠光体组织。

图3为A试板TC4/近钛层1#、近钛层1#/近钢层、近钢层/钢层焊缝结合效果。由图3(a)可知，TC4焊缝层与近钛1#焊缝层结合良好，但其结合面无相互延伸和扩展。TC4侧焊缝组织为不规则的块状或条状等轴晶组成，近钛1#侧组织为细小的块状或点状物，在靠近界面线附近块状组织晶粒变小，且形成了一层细晶过渡区，该细晶区呈带状分布，带宽约100μm。

由图3(b)可知，近钛1#合金层组织由靠近TC4层的块状或点状变成了靠近近钢层的具有一定尺度的类轧制状组织，之前的白色固溶体变成了层状板块物，板块厚约10μm，长约50～100μm。近钢层奥氏体晶界明显，奥氏体晶粒内部分布有大量的黑色点状物。由图3(c)可知，近钢层与钢焊缝实现了较好的互溶，焊缝组织均由不规则的多边形小块状铁素体与珠光体组成，在铁素体与珠光体界面上密布着黑色质点。

图3 A试板各层焊缝结合OM像 (a)TC4/近钛层1#；(b)近钛层1#/近钢层；(c)近钢层/钢层Fig.3 OM images of each weld joints of test plate A (a)TC4/nearly titanium layer 1#;(b)nearly titanium layer 1#/nearly steel layer;(c)nearly steel layer/steel layer

图4为B试板TC4/近钛层2#、近钛层2#/近钢层、近钢层/钢层焊缝结合效果。

由图4(a)可知，TC4层与近钛2#界面结合较好，2层组织均为不规则的等轴晶，这是由于2层的热过程相同、成分近似所致。由TC4层组织可看出，较靠近母材区的组织变小，其原因是重熔过程使得已凝固的TC4粗大等轴组织重新熔化结晶，且在结晶过程中近钛2#合金层与TC4层发生了相互扩散，增加了TC4层的形核质点，多质点形核使得其组织变小。

由图4(b)可知，B试板近钛2#与近钢层组织较为相似，近钛层Ti-Ni-Al与近钢层Ni-Cr-Fe结晶后组织错综交织，且可明显看出近钛2#组织已由靠近TC4层的等轴组织变为细条状的树枝晶，枝晶周围分布着长短、宽窄不一的树枝状晶粒，且晶粒较深入地延伸到了近钢层镍基合金中，并与镍基合金层形成了一个较宽的过渡带。由图4(c)可知，近钢层镍基合金组织在靠近钢层附近变成了明显的粒状铁素体和珠光体组织，并与钢层细小的铁素体和珠光体组织相互渗透交错，冶金结合较好。

图4 B试板各层焊缝结合OM像 (a)TC4/近钛层2#；(b)近钛层2#/近钢层;(c)近钢层/钢层Fig.4 OM images of each weld joints of test plate B (a)TC4/nearly titanium layer 2#;(b)nearly titanium layer 2#/nearly steel layer;(c)nearly steel layer/steel layer

由图3与图4可见，B试板各层焊缝组织较A试板更为细小，其各层间过渡的结合效果也更优。

2.2 接头成分变化分析

由于B试板各层焊缝间结合效果优于A试板，由此可知，B试板各层所用焊接材料组合比A试板所用焊材组合更为适合钛-钢复合板的熔焊对接。因此对B试板焊缝界面进行了能谱测试分析，图5所示为B试板对接接头钛层-近钛层-近钢层各个结合面的能谱实验结果。

由图5(a)可知，TC4与近钛2#Ti-Ni-Al焊缝界面成分主要为Ti，Ni及Cr。在靠近TC4焊缝层一侧，焊缝主要成分为Ti，TC4中的Al及V等微量合金元素在近钛层焊接过程中被极大稀释，所以在能谱测试中未能测出。近钛层Ti-Ni-Al焊缝的主要成分为Ti和Ni，从靠近TC4一侧到靠近近钢层一侧Ti含量逐渐降低，Ni含量逐渐升高，且由测试结果还可看出Fe贯穿于整个界面，但在靠近钛一侧含量较少。由图5(b)可知，在靠近近钛层处的近钢层焊缝的主要成分依然为Ti和Ni，随着向钢层的靠近，Ti含量逐渐降低，Ni含量逐渐升高，Cr含量在整个近钢层基本保持稳定。在近钢层与钢层界面处，焊缝成分发生了突变，Ti，Ni和Cr含量急剧降低，Fe含量明显升高。

图5 B试板对接接头各个结合面EDS结果 (a)TC4/近钛层2#/近钢层；(b)近钢层/钢层Fig.5 EDS results of butt joint surface of test plate B (a)TC4/nearly titanium layer 2#/nearly steel layer;(b)nearly steel layer/steel layer

综上分析可知，TC4焊缝层与钢焊缝层化学成分均比较单一，过渡层(近钛层、近钢层)化学成分较为复杂，这说明在过渡层焊接过程中焊缝合金元素发生了较大的扩散。

2.3 接头力学性能分析

表1为A，B试板对接接头的力学性能。由表1可知，A试板对接接头抗拉强度与屈服强度较低，拉伸宏观断口出现较多的夹杂与孔洞。结合A试板金相实验结果可知，A试板TC4焊缝-近钛层焊缝-近钢层焊缝界面线较为明显，各层焊缝相互熔合渗透较少，且焊缝主要以粗大等轴晶为主，这是导致A试板接头强度较低的主要原因。由B试板拉伸实验结果可看出，其接头强度及塑性远高于A试板，且其冲击韧性及抗弯性也较好，这与B试板较为细小且相互渗透交织的组织密切相关，由此也说明B试板所用焊接材料组合较为优异。

表1 两种试板对接接头的力学性能Table 1 Mechanical properties of two test plates butt joint

对B试板接头冲击断口进行扫描测试，如图6所示。由图6(a)可知，钛侧断口在靠近钢一侧处主要表现为细条状的裂纹，裂纹由起裂源向4周扩散，形成了密集的条状撕裂形貌。在远离钢一侧界面处撕裂的片状尺寸逐渐变小，甚至出现了冰晶块状物。由此可见，钛侧断裂机制为沿晶断裂和穿晶断裂相结合的复合型断裂机制。由图6(b)钢侧形貌图可看出，钢侧断面主要由韧窝和滑移构成，由此可推断，钢侧断裂机制主要为韧窝断裂和滑移断裂相结合的复合型断裂机制。

复合板对接接头焊缝由钛焊缝-近钛焊缝-近钢焊缝-钢焊缝4层组成，但由于各层厚度均在微米级别，无法宏观测出层与层之间的结合强度或宏观硬度，故本研究对复合板接头进行了显微硬度测试，实验打点位置为焊缝正中心，且由钢层到钛层依次打点，测试结果如图7所示。

由图7可知，A，B试板焊缝硬度变化趋势基本相同。A试板过渡区焊缝硬度与两侧的钢焊缝及钛焊缝硬度无明显变化趋势，仅可看出钢侧焊缝硬度高于钛侧。B试板接头过渡区焊缝硬度最低，从过渡区向两侧硬度均有所升高，但在短暂升高后趋于平缓。