长三角G60激光联盟导读
据悉，本文研究了热输进和焊接速度对20 mm高强度管道钢X120单道次混合激光弧焊板组织和力学性能的影响。
摘要
研究了热输进和焊接速度对20 mm高强度管道钢X120单道次混合激光弧焊板组织和力学性能的影响。热输进在1.4 kJ mm−1 ~ 2.9 kJ mm−1之间改变，焊接速度在0.5 m min−1 ~ 1.5 m min−1之间改变。提出了一种基于外部振荡电磁场的槽架抵偿手艺。该手艺的一个次要长处是，焊接速度和冷却时间t8/5能够在一个大的参数窗口内改变，而不会影响焊缝根部量量。该办法可称心X120管道钢的选举焊接热轮回。所有测试Charpy-V试样的冲击能均称心API 5 L的要求。当热输进较高时，在测试温度为−40 ℃时，均匀冲击能为144 ± 37 J。高于1.6 kJ mm−1的高热输进招致焊缝金属和热影响区软化，招致强度缺失。当热输进在1.4 kJ mm−1到1.6 kJ mm−1之间时，拉伸强度最小可达915 MPa。
1 介绍
超高强度钢种可在不增加管壁厚度的情状下在天然气输送管线中实现更高的工做压力。那反过来又带来了许多经济效益，例如降低素材消耗以及降低运输和造形成本。不能不提到的是，那种角度钢种的造造法式正在不竭研究和改进。Kong等人（2015）在他们的工做中表白，在钢中添加Ti和B元素能够进步让步和抗拉强度程度。跟着轧造过程中最末加速冷却温度的降低，强度也能够逐步增加。Asahi等人（2004）陈述说，X120的大曲径管能够在恰当的成型前提和某些东西设想原则下造造用于批量消费。
在过往的50年中，因为冶金和造造手艺的朝上进步，钢的强度逐步增加，以响应市场对更轻，更安稳的钢材的需求。为了到达具有足够韧性和延展性的高强度和可焊性，需要开发高强度低合金（HSLA）钢。HSLA钢凡是含有十分低的碳含量和少量的合金元素，那些由美国石油学会（API）按其强度排序（X-42，X-46，X-52，X-56，X-60，X-65，X-70，X-80，X-100和X-120）。那些特征是通过认真抉择微合金成分和优化热机械加工（TMP）以及TMP之后的加速冷却前提来实现的。
与通俗碳钢比拟，HSLA钢的开发旨在获得更好的机械性能，以及卓著的耐侵蚀性能。合金元素包罗0.05-0.25%的碳，锰含量高达2%，以及少量的铬，镍，钼，铜，氮，钒，铌，钛和锆，能够以差别的比例利用。
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HSLA钢的品种良多，如耐候钢、微合金铁素体-珠光体钢、轧造珠光体钢、针状铁素体钢、双相钢和同化物外形掌握钢。凡是，耐候钢的成分包罗少量合金元素以进步耐侵蚀性。铜的添加凡是用于空气中磷和硫含量较低的大气中。凡是，微合金铁素体 - 珠光体钢具有小比例的硬量合金成型剂（如钒和钛）的组合物，那些硬量合金成型剂通过沉淀硬化和晶粒细化来加强钢。轧造珠光体钢凡是只含有碳和锰，但能够添加其他元素以增加其强度。双相钢利用微合金化来造造具有分离马氏体的铁素体基体。
那些钢的重要性在于它们在各类贸易和工业利用中的利用;因而，它们已成为在许多范畴获得浩荡朝上进步的关键素材，例如：建筑、重型车辆、储罐、铁路车厢、石油钻井平台、碳氢化合物运输管道等等。
抗拉强度与碳含量改变的钢的改变温度的函数关系。
凡是，X120级管道钢的碳含量降低小于0.1wt%，从冶金角度能够表征为具有优良的焊接性。
虽然如斯，对将来开发适宜的焊接素材的需求也很高，出格是关于 X120 等品级。文献综述表白，在那方面已经停止了几项研究。凡是，与基材比拟，估量填充焊丝具有过配强度。X120 SAW婚配焊丝的最新停顿之一在Zhang等人的专利（2017）中有所描述。开发的焊丝可确保约960 MPa的抗拉强度。然而，现代钢 X120 的抗拉强度能够超越 1000 MPa。通过简单地添加更高的合金含量，那个问题无法处理，因为它会招致焊接接头韧性降低或冷裂纹。在某些情状下，更好利用不婚配的填充焊丝，而且能够在焊接接头的机械性能方面产生可承受的成果。Gook等人（2014）表白，即便金属芯线的强度不婚配，也能够通过20 mm厚的管线X120板的HLAW到达API 5 L的最小拉伸强度和冲击能量。
做为一种折衷计划，混合激光弧焊(HLAW)在20世纪70年代末被开发出来，通过在统一个熔池中耦合LBW和GMAW，使得与LBW比拟，冷却速度降低，热量输进更低，消费率进步，填充丝消耗更低(Eboo等人，1978)。多项研究表白，HLAW胜利地利用于9.3 mm厚的HSLA钢(Cao等人，2011)、12.5 mm差别接头的HSLA钢(Atabaki等人，2014)或双面焊接手艺(Chen等人，2013)。Rethmeier等人(2009)报导，连系HLAW和GMAW工艺的多层手艺能够焊接32 mm厚的素材。因为工艺方面的原因，单道次弧焊法在厚型材焊接中的利用还遭到必然的限造。此中一个限造因素是重力掉落的构成，那凡是发作在焊接厚板在平面位置和焊接速度降低时。在那种情状下，静水压力超越了依靠于外表张力的拉普拉斯压力。降低焊接速度下焊缝根宽的增加招致外表张力的降低，那就是为什么只要足够高的焊接速度，特殊是在平面位置，才气实现不变的过程，那招致了较高的冷却速度。为了征服焊接过程中产生的下垂问题，掌握焊接速度所产生的热输进，本文摘用了一种基于振荡磁场和感应涡流在熔池中产生洛伦兹力的新型熔池支持手艺。那种手艺工做的非接触式，那是一个明显的优势，比凡是的浴槽收架。
振荡磁场B垂曲于焊接标的目的，由交换磁铁产生。电密度j与焊接标的目的平行。得到的洛伦兹力FL= bxj向上，抵消了静水压力ph和电弧压力parc。电磁熔池支持系统计划如图1所示。
图1 根据Avilov等人（2012）的电磁焊池支持系统计划。
所提出的手艺旨在引进气体过渡管道以及设备造造中的容器和容器。在此类利用中，包管焊缝量量，特殊是掌握欠缺根部合成和完全熔透，是最重要的。正如Dupriez和Truckenbrodt（2016）所描述的那样，比来在激光素材加工中现代过程监测办法的体味，如光学相关断层扫描（OCT），能够实现高度切确的主动焊缝跟踪，并供给激光焊接过程中无损在线过程监控和量量包管的可能性。
本研究旨在研究热输进和焊接速度对HLAW焊接厚钢板X120的拉伸强度和韧性等力学性能的影响，同时利用电磁熔池收护并连结焊缝量量要求。
2.尝试
激光光学器件和GMAW割炬安拆在机器人手臂上，激光轴与焊缝试样外表成90°，GMA割炬相关于激光轴倾斜25°。尝试是在电弧前导位置和两个热源之间间隔为4 mm的情状下停止的。激光束在焊缝试样顶面下方 11 mm 处聚焦不敷。电线伸出连结在18 mm，见图2（a）。交换磁体位于工件下方 2 mm，此中两个磁极之间的间隔为 25 mm。激光光学器件和GMAW手电筒正好位于磁极之间的中间。工件由 x-y 定位工做台挪动。在焊接过程中，加领班和磁铁连结在固定位置。尝试设置如图2（b）所示。
图 2 带有电磁熔池撑持系统的HLAW：（a）工艺安插和（b）尝试安装。
焊接后，切割中长位置的横向截面停止金相查抄。切割外表通过利用2%硝酸盐溶液停止抛光和蚀刻来造备。维氏硬度丈量是用莱茨显微硬度计Miniload 2和数据笔录仪Leitz RZD-DO停止的。试验在4.9 N负载和15 s停留时间下停止。维氏硬度试验机根据DIN EN ISO 6507-3停止校准，HV0.5丈量值的更大误差为±3%。丈量在素材厚度的三个程度长进行：上部（外表以下2毫米），中间和根部（底部以上2毫米）。硬度丈量线的示企图如图3所示。在焊接试样的顶面以下 4 mm 处提取夏比 V 形缺面试样，然后根据 DIN EN ISO 148-1 原则 55 x 10 x 10 mm 停止加工3尺寸。凹口放置在WM中心。所有夏比试验均在-40°C下停止。此外，根据DIN 50125表格B，从板厚度中间提取曲径为12 mm的圆形拉伸试样。对每个样品停止五到十次冲击试验和三次拉伸试验。夏比V型缺面试样和拉伸试样的取样图别离如图4（a）和（b）所示。
图 3 硬度丈量线的示企图。
图 4 标本摘集方案：（a）夏比V型缺口标本;（b）拉伸试样和尺寸。
3.成果和讨论
焊接接头的目视测试没有发现缺陷，例如裂纹、气孔、不完全合成或欠缺穿透力。焊接接头如图5所示的示例性。能够看察到，在整个焊缝长度上，根部通过产生的电磁压力停止了抱负抵偿，为什么焊接接头称心ISO 12932与量量B相关的要求。
图 5 摘用电磁熔池支持手艺的混合激光电弧焊接接头的端面和根部，利用16.5 kW激光功率，焊接速度为1 m min−1.
对截面焊缝外形构成的金相评估能够得出结论，完全熔透的焊缝构成酒杯外形，那是HLAW的典型特征。影响焊缝量量和焊缝外形的最重要焊接参数是焊接速度、激光功率、电弧功率和 HLAW 工艺设置装备摆设，例如 GMAW 电弧的领先形式。厚壁HLAW焊缝的外形可分为两部门。上部是弧主导区，具有宽的熔合区和HAZ，而下部以激光为主，其特征是狭隘且几乎平行的接缝侧面。图6展现了具有差别焊接速度和产生的热输进的管线钢X120单层焊接20 mm厚板的示例横截面。
图 6 具有差别热输进的 20 mm 厚板 X120 上的单层 HLAW 横截面。
在电磁熔池支持系统的搀扶帮助下，能够停止 20 mm 厚的 HLAW 焊缝，而不会流挂、重力脱落和不容许的根部加固。静水压力能够通过所有焊接接头的向上定向洛伦兹力有效抵偿，产生差别的焊接速度，在0.5 m min−1之间改变和 1.5 min−1最小。需要更高的送丝速度来填充坡口，出格是在 1.25 m min−1 的高焊接速度下最小。
为了对整个焊缝长度上的根部停止定性阐发，并可视化熔池支持系统的平安工做，利用激光轮廓扫描仪丈量根部余外的焊缝金属。很明显，通过电磁熔池支持系统对根部停止了略微的过度抵偿。根据Üstündağ等人（2018b）的成果，能够优化感化磁力，从而处理过抵偿效应。在那项研究的框架内，那一点没有进一步研究，因为目标是查抄焊缝的机械性能。在那种情状下，拉伸和冲击试样部门提取在中等厚度。焊缝根部的激光轮廓扫描如图7所示。
图 7 在整个接缝长度上对根部停止激光轮廓扫描。
因为高热输进，HAZ中的温度梯度较浅招致构成更宽的粗粒热影响区（CGHAZ）。因为焊接过程中那些区域的温度差别，HAZ内的晶粒尺寸从熔合区（FZ）逐步改变到细晶热影响区（FGHAZ）。因而，HAZ可分为CGHAZ，FGHAZ和临界间热影响区（ICHAZ）。CGHAZ包抄焊缝金属。宽CGHAZ能够降低热裂纹灵敏性，因为晶界面积较大，能够包容应力松弛。因为晶粒粗化，强度缺失是能够预期的。还能够识别出，跟着热输进的削减，HAZ会变窄。在更低焊接速度下，中等厚度的HAZ宽度约为5.4 mm。跟着焊接速度增加到0.8 mm，HAZ的宽度减小。FZ的宽度也跟着焊接速度的增加而减小。焊接区域的整个宽度（包罗FZ和HAZ）应最小化。为了阐发焊缝外形和HAZ中的差别区域，丈量了该区域的宽度，如图8所示。
图 8 用于阐发焊缝外形几何外形的示企图。
图9清晰地展现了差别层素材厚度和中厚HAZ宽度中FZ几何外形的改变。很明显，FZ和HAZ的宽度跟着热输进的增加而增加。因为V型槽，上部的宽度较大，必需用焊丝填充。因为在 2.9 kJ mm−1 的高热输进下，与焊接速度相关的高送丝速度与根部比拟，焊缝上部的宽度上升得更快，此中电弧过程没有显著影响。
图 9 焊缝外形几何外形取决于热输进和t8/5-时间。
焊接样品的微看构造次要取决于部分热轮回、冷却前提和焊接过程中到达的峰值温度。高热输进能否会招致软微看构造的构成，从而招致强度下降，那也具有很大的现实意义。造造了显微图像，研究了焊接速度和热输进等焊接参数对HAZ尺寸、HAZ中微看组织和晶粒尺寸散布的影响。图10展现了在差别热输进下停止的HLAW焊缝X120的微看构造开展。金相查验在熔融线（FL）相邻的宽广区域停止，包罗HAZ和BM。均匀晶粒尺寸通过软件在金相显微照片上根据ASTM原则E 112停止定义。能够识别热输进与HAZ宽度之间的相关性。
图 10 差别热输进下HLAW焊缝X120在FL相邻（包罗HAZ和BM）的微看构造开展。
2.9 kJ mm −1的高热输进招致普遍的HAZ，在那里能够看察到谷物粗化。CGHAZ和FGHAZ的均匀晶粒尺寸别离为18.9 μm和3.3 μm。FGHAZ中的晶粒尺寸在2.4μm和4.7μm之间改变，详细取决于热输进。因为FGHAZ，ICHAZ和亚临界HAZ（SCHAZ）不会因与FZ和热源的间隔增加而表露在顶峰值温度下，因而那些区域次要由小颗粒构成，关于焊接接头的那些区域，能够预期具有很高的冲击韧性。因为晶粒更细，估量抗拉强度将跟着热量输进的削减而增加。图11展现了差别热输进下CGHAZ和FGHAZ中的晶粒尺寸散布。
图 11 HLAW 焊缝 X120 的 HAZ 中的晶粒尺寸取决于热输进。
CGHAZ和FCHAZ都具有贝氏体或贝氏体-马氏体微看构造，而BM次要由较低的贝氏体构成，那是因为造造过程中添加了铌和硼。WM微看构造根据热输进的比力如图12所示。关于所有样品，微看构造以差别形态的贝氏体为主。
图 12 HLAW 焊缝 X120 的 WM 微看构造取决于热输进。
除了焊接过程中的热轮回外，WM的微看构造也通过焊丝的冶金来调整。因而，在焊丝中添加0.45%的Mo做为微量元素，从而进步了焊缝金属的强度和低温下的抗冲击性。正如Villalobos等人（2018）所示，添加必然量的Mo会降低焊后冷却过程中的相变温度。那改进了焊缝金属构造，同时扩展了贝氏体的地层温度范畴。
图13展现了差别热输进下WM（图13（a））和HAZ（图13（b））的显微硬度HV0.5的均匀值。能够清晰地看到硬度跟着热输进的增加而逐步恶化。焊缝的软化效果更大，焊接速度为0.5 m min−1。因而热输进更高。在那种情状下，WM 和 HAZ 中的均匀硬度值响应下降到 240 HV 和 290 HV。与310 HV母材的硬度比拟，硬度的那种下降会招致焊接强度显着下降。同样值得重视的是，工艺热量以0.5 m min-1的低焊接速度平均散布在焊缝厚度上。那种效应的指示是WM的上部，中部和根部的硬度值在240±20HV的程度，招致大致不异的软化水平。在较高的焊接速度下，能够看察到焊缝差别部位的部分硬度程度差别。形成那种效应的原因是焊接过程中工艺热量在焊缝的上部和根部门布不平均。
图 13 在差别焊接速度下停止的HLAW焊缝的维氏硬度成果：a）WM的显微硬度，b） HAZ的显微硬度。
在阐发硬度丈量值时，能够看出焊缝根部存在更高的WM硬度（图13（a）），而关于HAZ，更大硬度在焊缝顶部（图13（b））。然而，在阐明那些成果时，必需考虑HAZ中丈量硬度值的相对较大的散射。在硬度测试期间，四周的素材被印记变形，从而改动素材性能。为了避免对确定的硬度停止错误阐明，在维氏硬度测试期间，印记之间的间隔抉择为0.5毫米。另一方面，激光混合焊缝的HAZ相对较窄，由异量性区域构成，因而在手艺上难以将硬度印记反复地放置在具有不异硬度特征的HAZ区域中。图14示例展现了在2.2 kJ mm的热输进下对称丈量的焊缝右侧和左侧以HAZ为单元的硬度值的颠簸−1焊接速度为0.75 m min−1.成果表白，关于差别的热输进，HAZ的硬度值均匀略低于基材的硬度值，但HAZ中的素材软化水平与热输进之间没有可靠的相关性。
图14 当热输进为2.2 kJ mm−1，焊接速度0.75 m min−1时，HLAW焊缝的热影响区各维氏显微硬度值。
拉伸试验的成果表白，所有试样在WM或向HAZ的过渡处都分裂。因为WM鸿沟处的晶粒粗化，具有较低热输进的焊接样品在HAZ四周断裂。根据 API 5 L 的规定，只要当焊接速度高于 1.25 m min−1 时，才气到达 915 MPa 的最小抗拉强度。因为焊缝金属的热输进削减和硬度增加，估量那些样品将到达抗拉强度的要求。削减的热量输进也会招致较低的晶粒粗化，从而对接缝的强度产生积极影响。根据DIN EN ISO 6892-1对各类焊接速度停止的拉伸测试成果如图15所示。根据API 5 L和EN ISO 3183，焊接接头的接头效率、抗拉强度和焊接接头的最小抗拉强度为915 MPa，如图15所示。
图 15 在差别焊接速度下停止的HLAW焊缝的拉伸试验成果和接头效率。
图16举例展现了两个拉伸测试样品，它们是由HLAW工艺消费的，具有更高的研究热输进和更低的热输进，断裂位置在WM和HAZ鸿沟。所有样品均展现杯状和锥状骨折，在WM处有颈缩。
图 16 HLAW焊接的横向拉伸试样的断裂位置。
通过在拉伸强度方面利用不婚配的填充焊丝，从高热输进焊缝中取出的拉伸样品会在WM中断裂而且不契合抗拉强度要求。具有高热输进的宽焊缝意味着WM与BM的高度稀释，那表白焊缝的抗拉强度由不婚配的填充焊丝决定。关于较低的热输进和由此产生的薄焊缝，微看构造是细晶粒的，并到达所需的最小抗拉强度 915 MPa。根据原则API 5 L和EN ISO 3183，假设到达要求的最小抗拉强度915 MPa，WM中的断裂是能够承受的。填充焊丝造造商给出的机械性能是指纯焊缝金属在凡是较高的热输进下的拉伸强度，而不考虑稀释效应。
被测拉伸样品的应力应变图如图17所示。能够识此外是，抗拉强度跟着焊接速度的增加和热输进的削减而进步。此中一个样品具有特征道路（蓝色持续线），而且跟着应变的增加而敏捷下降。随后，用扫描电子显微镜（SEM）查抄该样品的断裂外表，如图18所示。裂痕外表描摹评判表白，所有样品均存在延性-脆性混合断裂。每个参数集一次被测样品的断裂面如图19所示。
图 17 差别焊接速度下被研究样品的应力应变曲线。
图 18 利用16.5 kW激光功率和19.3 kW电弧功率在1 m min−1焊接速度下焊接拉伸试件的SEM图像。
图 19 差别热输进的夏比冲击试验试样的断裂外表。
激光或混合激光焊缝的v型缺口夏比试验有时会呈现断裂途径误差(FPD)，招致母材较软(Ohata etal .(2015))，因而，以下部门可被分类为韧性断裂。FPD的发作问题与焊缝金属的韧性值的准确评估是有联系关系的。缺口杆冲击试验成果的断裂途径图像如图20所示。能够看出，断裂途径次要通过焊缝金属向母材中传布，没有PDF。
图 20 缺口杆冲击试验成果的断裂途径图像。
在5种差别的热输进前提下，对20根 mm厚的X120级管线钢停止了单道次HLAW试验研究。尝试在0.5 m min - 1和1.5 m min - 1的焊接速度范畴内停止。摘用一种新的基于外部振荡磁场的浴槽支持手艺避免了重力脱落。
研究的次要功效如下:
•20块 mm厚的X120级板的HLAW能够单道焊接，无根焊缝金属过量，此中交换磁铁在1.7 kW至2.1 kW交换功率下工做，振荡频次1.2 kHz;
•与传统的HLAW参数比拟，其冷却时间较短。通过利用电磁熔池收架，焊接热轮回能够转向较低的冷却速度;
•与钢厂商供给的规格比拟，冷却时间为2 s至3 s时，拉伸强度和夏比韧性均可获得称心的成果;
•较高的冷却时间t8/5招致软化，晶粒粗化和强度缺失，因为更高的热输进。
来源：Hybrid laser arc welding of thick high-strength pipeline steels of grade X120 with adapted heat input, Journal of Materials Processing Technology, doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116358
参考文献：Sugiyama, N. Maruyama, K. Shinada, K. Koyama, Y. Terada, H. Akasaki, N. Ayukawa, M. Murata, N. Doi, H. Miyazaki, T. Yoshida, Development of Ultra-high-strength Linepipe, X120. Nippon Steel Technical Report 90, (2004), pp. 82-87
长三角G60激光联盟陈长军转载