【摘要】：串列雙絲GMAW(Tandem-GMAW)是一種高效熔焊工藝,可用于低合金鋼、不銹鋼、鋁等金屬材料的焊接。18.4 mm厚的X80級(jí)管線(xiàn)鋼作為目前管線(xiàn)建設(shè)中主要用鋼,具有強(qiáng)度高、性能好、用量少、成本低等優(yōu)點(diǎn),采用T-GMAW可進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。文中采用T-GMAW工藝焊接了18.4 mm厚的X80級(jí)高強(qiáng)管線(xiàn)鋼,并獲得了成形良好的焊接接頭。通過(guò)對(duì)焊接接頭宏觀形貌、金相組織的觀察和硬度的分析和測(cè)試,以及采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接熱過(guò)程溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演變進(jìn)行分析。通過(guò)本文開(kāi)發(fā)的雙絲串列氣體保護(hù)焊接工藝,只要焊接5層就獲得了成形良好無(wú)缺陷的焊接接頭,與西氣東輸二線(xiàn)廣泛采用的7層復(fù)合焊接工藝相比,焊接效率提高了約30%。通過(guò)光學(xué)和掃描電鏡觀察了焊縫區(qū)、焊接熱影響區(qū)和母材的顯微組織。結(jié)果表明,在焊縫區(qū)組織中,根焊層由80%左右針狀鐵素體(AF)和少量多邊形鐵素體(PF)組成,熱焊層中出現(xiàn)了長(zhǎng)寬比大于20的低韌性羽毛狀鐵素體(FF),填充層和蓋面層中PF含量均大于50%,但填充層PF晶粒更為細(xì)小;在熱影響區(qū)組織中,根焊層和熱焊層主要由粒狀貝氏體(GB)和板條狀貝氏體(LB)組成,熱焊層LB含量較少,填充層和蓋面層主要由GB組成,蓋面層晶粒尺寸幾乎比填充層增加了一倍,且GB中碳化物含量增加。通過(guò)對(duì)各焊層的硬度測(cè)試、分析和對(duì)比表明,硬度分布呈“W”型,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均硬度低于母材,焊接接頭出現(xiàn)了軟化。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)表明,從根焊層、熱焊層、填充層到蓋面層,隨著單位長(zhǎng)度的焊接熱輸入的增加,最高溫度基本呈上升趨勢(shì)。重點(diǎn)分析了第二填充層的雙熔池階段、共熔池階段和冷卻階段焊接溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演變;在10.0 s左右達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),最高溫度、最大熔深和最大熔寬位于后絲下方;且隨著焊接速度的提高熔池變得細(xì)長(zhǎng),而當(dāng)焊絲間距超過(guò)25 mm時(shí),即使雙絲焊也只能形成兩個(gè)獨(dú)立的熔池。分析了焊接熱影響區(qū)的5層熱循環(huán)和第二填充層中沿著焊縫中心線(xiàn)和垂直焊縫方向的一系列點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)。根據(jù)計(jì)算得到的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn),可計(jì)算出冷卻時(shí)間t8/5和平均冷卻速度Wc,結(jié)合X80級(jí)管線(xiàn)鋼的SH-CCT圖,對(duì)焊接熱影響區(qū)的組織和硬度進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
【圖文】：

初期開(kāi)始投入使用。20 世紀(jì) 80 年代，X70 級(jí)管線(xiàn)鋼投入到管線(xiàn)建設(shè)中；同時(shí)期又開(kāi)發(fā)了 X80 級(jí)管線(xiàn)鋼，組織以針狀鐵素體為主，相對(duì)具有更高強(qiáng)度和韌性[5]。這是目前和隨后 10～20 年之間輸送管道的主流鋼種，期間對(duì)管線(xiàn)鋼技術(shù)要求如圖 1-1 所示，幾種主要鋼級(jí)的強(qiáng)化手段如圖 1-2 所示。(4)X100 和 X120 鋼開(kāi)發(fā)成功預(yù)示著管線(xiàn)鋼輸送壓力有所提高，單位時(shí)間輸送量可進(jìn)一步增加，但真正投產(chǎn)與建設(shè)中還需深入研究和試驗(yàn)。我國(guó)管線(xiàn)建設(shè)起步較晚，50 年代初主要采用 16Mn 鋼，一直到 20 世紀(jì) 90 年代X52、X60、X65 管線(xiàn)鋼才在陜京和塔里木管線(xiàn)上得以使用，21 世紀(jì)開(kāi)發(fā)的 X70 與 X80級(jí)管線(xiàn)鋼投產(chǎn)。目前我國(guó)管道建設(shè)使用各類(lèi)鋼管 200 余萬(wàn) t，分布里程可達(dá)近 5 000km[6]。X80 鋼與 X70 鋼相比較而言，成分更加純凈，硫含量較低[7]，同一管線(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目用 X80 鋼代替 X70 鋼，管材費(fèi)用可節(jié)省 10%左右，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)可節(jié)省 3 %～12 %，[8]。因此，X80 鋼為目前研究的熱點(diǎn)，也正是本課題所選擇的研究對(duì)象。

圖 1-2 管線(xiàn)鋼強(qiáng)化手段[9]Fig. 1-2 The intensify method of pipeline steel.2.2 X80 級(jí)管線(xiàn)鋼及其焊接性研究X80 級(jí)管線(xiàn)鋼屬低碳微合金鋼，在 Mn-Nb-Ti 系或 Mn-Nb-V(Ti)系基礎(chǔ)上適當(dāng)添i、Mo、Cu 等合金元素，并通過(guò)控軋控冷技術(shù)，即控制軋制溫度、終冷溫度和高卻速度來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和韌性[10-11]。典型碳含量在 0.04 %～0.08 %之間，甚至有80 級(jí)管線(xiàn)鋼達(dá)到了 0.02 %[12]。低的含碳量不僅可以減少珠光體的含量，降低韌脆溫度，，而且可以有效的改善鋼的焊接性能，降低焊接裂紋傾向。X80 級(jí)管線(xiàn)鋼組針狀鐵素體型，包括針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量塊狀鐵素體[13]。Mn、Mo 等元素可以有效的減少多邊鐵素體的含量，使得組織更加均勻單一，Nb 元素可以細(xì)氏體晶粒，獲得較高的韌性。材料的焊接性是指能否焊接加工形成沒(méi)有明顯缺陷且使用性能優(yōu)良的焊接接頭
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG457.11

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本文編號(hào)：2547075