毛静丽 王虎 刘智 刘华伟 张井仁 张旭倬

一、概述

碳弧气刨清根的方法应用较为广泛，其高效的清根效率得到广大用户的青睐，但对于全自动焊接接头，手工电动砂轮清根的方法效率比较低，尤其是在海洋管道工程施工中体现较为突出，在这一前提下，通过调研分析国外海底管道工程管线管焊缝清根方法和技术，对碳弧气刨清根对管线管焊接接头性能影响进行了分析研究。

本文主要研究分析碳弧气刨清根对接头性能的影响，确定碳弧气刨对焊接接头性能影响大小，进行分析、定量测量、微观组织对比，并采取相应的技术措施来消除碳弧气刨对焊接接头的影响，保证焊接接头的力学性能。

二、试验材料和方法

1. 试验材料

管线材质API 5L PSL2，X65 SSAW焊管，规格为φ610mm×22.2mm，X65钢的化学成分和力学性能如表1、表2所示。焊接材料采用BOEHLER SG3—P ER70S-G、φ1.0mm，焊接方法为全自动焊；返修焊材为81N1。

2. 试验方法

试验采用定量测量分析和对比研究分析两种方案。主要试验方法包括：①对碳弧气刨的原始坡口进行宏观金相、硬度、微观组织进行试验分析。②采用碳弧气刨清根，再用砂轮机清除表面2mm，采用返修工艺进行焊接的接头进行金相组织、硬度、冲击和常规力学试验。③采用砂轮机清根，采用返修工艺进行焊接的接头进行金相组织、硬度、冲击和常规力学试验。

三、试验数据分析

1. 碳弧气刨清根原始坡口

（1）硬度试验 取三个试件，编号分别为1#-1、1#-2、1#-3，对碳弧气刨的原始坡口进行维氏（HV1）硬度试验，测试点间距为0.1mm，由边缘向母材测试，每个试件3排，每排30点。

1#-1、1#-2、1#-3分别为1#试件的3个不同位置，碳弧气刨后的V形缺口形貌如图1所示。硬度试验数据分布如图2所示。

表1 X65钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 X65钢的力学性能

图1 碳弧气刨宏观金相

图2 碳弧气刨原始坡口硬度试验数据分布

综合分析，由图2可以看出，碳弧气刨后坡口的硬度值会增加，硬度值在13点附近趋于一条直线，即碳弧气刨引起母材硬度增大的厚度约为1.3mm。

（2）金相测量 对碳弧气刨后1#件3个不同位置试件的渗碳层深以及碳弧气刨热影响区的宽度进行了测量，每个试件在距离壁厚端的3mm、6mm、9mm位置分别进行测量。由显微图片可知，碳弧气刨后V形坡口表面有一黑层，通过测量该黑层的深度在10 ~100μm，硬度值在320HV1左右，因此还不能确定该黑层是否是渗碳层。

另外，对碳弧气刨热影响区的深度进行了测量，为500~1 300μm。

（3）微观组织 对碳弧气刨后1#-1，1#-2，1#-3试件的显微组织进行了观察，得知焊缝区的组织为贝氏体+铁素体+珠光体，热影响区的组织为贝氏体+铁素体+珠光体，母材的组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体。

（4）综合分析 通过宏观金相测量、硬度曲线分析和微观组织，可以确定渗碳层的深度为0.01~0.1mm，热影响区硬度深度为1.3mm。碳弧气刨的热输入虽然较大，加工过程会导致表层出现渗碳，但通过试验数据表明，在碳弧气刨完成后，采用砂轮机打磨去除2mm的方案能够消除碳弧气刨对焊缝的影响。

2. 碳弧气刨清理后返修的焊接接头性能组织分析

（1） 硬度试验 碳弧气刨清除焊接缺陷后，再用砂轮机清除表面2mm，采用返修工艺焊接的接头进行硬度试验。取1个试件，编号为2#，进行维氏（HV1）硬度试验，由焊缝向母材测试，每个试件3排硬度，每排15点（见图3）。由图3可知，焊缝、热影响区和母材的分界明显，走向符合要求，硬度的最大值（234HV1）满足标准要求，焊缝区和母材区的硬度分布接近一条水平线。

（2）金相组织 2#试样显微组织分为焊缝、热影响区、过渡区、母材，焊缝为贝氏体+铁素体+珠光体，热影响区为贝氏体+铁素体+珠光体，母材为铁素体+贝氏体+少量珠光体。

（3）冲击试验 对2#试件取6个试样，规格为10mm×10mm×55mm、V型缺口，试验温度-10℃，试验结果如表3所示。

（4）常规力学试验 根据API1104严格进行取样和试验，试验数据满足标准要求。试验结果如表4~表6所示。

3. 砂轮机清理后返修的焊接头性能组织分析

图3 2#试件硬度试验数据分布

表3 2#试样夏比冲击试验数据

表4 拉伸试验

表5 弯曲试验

表6 刻槽锤断

（1）硬度试验 用电动砂轮机清除焊接缺陷后，再采用返修工艺进行焊接的接头进行硬度试验。取1个试件，编号为3#，进行维氏硬度试验，测试点间距为0.1mm，试件3排硬度，每排15点，试验数据如图4所示。从试验结果来看，焊缝、热影响区和母材的分界明显，走向符合要求，硬度的最大值（236HV1）满足标准要求，焊缝区和母材区的硬度分布接近一条水平线。

（2）金相组织 通过金相图片综合分析，3#试样显微组织分为焊缝、热影响区、过渡区、母材，焊缝为针状铁素体+贝氏体+铁素体+珠光体，热影响区为贝氏体+铁素体+珠光体，母材为铁素体+贝氏体+少量珠光体。

（3）冲击试验 对3#试件取6个试样，规格为10mm×10mm×55mm、V形缺口，试验温度-10℃，试验数据如表7所示。

（4）常规力学试验 常规力学试验根据API1104严格进行取样和试验，试验数据满足标准要求，如表8~表10所示。

4. 试验对比分析

（1）硬度试验结果表明，碳弧气刨清根再用砂轮机去掉表层2mm的方案和直接采用砂轮机清根的方案在硬度试验上没有明显的影响，硬度值分布形状接近。

（2）显微组织对比试验表明，两种方案的组织接近，碳弧气刨清根再用砂轮机去掉表层2mm的方案不会引起组织发生不良的的变化；2#、3#试样显微组织分为焊缝、热影响区、过渡区、母材，2#试样焊缝为贝氏体+铁素体+珠光体，热影响区为贝氏体+铁素体+珠光体，母材为铁素体+贝氏体+少量珠光体；3#试样焊缝为针状铁素体+贝氏体+铁素体+珠光体，热影响区为贝氏体+铁素体+珠光体，母材为铁素体+贝氏体+少量珠光体。

（3）冲击（-10℃）试验两组数据都满足标准要求，且冲击试验数据比较接近。

（4）常规力学试验结果满足标准规范要求，两组数据比较接近。

通过试验数据对比分析，碳弧气刨清根再用砂轮机去掉表层2mm的方案对焊接接头的组织、性能没有明显的影响。

四、结语

图4 3#试件硬度试验数据分布

通过试验研究分析，碳弧气刨清根再用砂轮机去掉表层2mm的方案可用于管线管焊接接头缺陷清除，能够保证接头力学性能、金相组织满足标准规范，同时能够提高返修施工的效率，对于海底管道工程管线管施工具有重要的意义。

表7 3#试样夏比冲击试验数据

表8 拉伸试验

表9 弯曲试验

表10 刻槽锤断

[1] 李庆贺. 焊缝清根技术的应用分析. 现代制造技术与装备[J]. 2009（2）：55-56.