[摘要] 用熱模擬、掃描電鏡、x射線衍射等對噴瓷管道焊接熱敏感性進行了研究。結果表明，隨著峰值溫度的提高，基體金屬的硬度提高，組織由f+p轉變成b+f+ p；峰溫為1350℃、1200℃時，基體金屬中產(chǎn)生大量晶間微裂紋，金屬與瓷層界面無裂紋但出現(xiàn)氣泡；峰溫為950℃、700℃時，金屬與瓷層界面無氣泡但產(chǎn)生了界面裂紋；峰溫低于1200℃時，瓷層相結構主要為玻璃態(tài)，由少量晶相na2moo4（moo3）y析出；峰溫為1350℃時，瓷層全部轉變?yōu)椴ＡB(tài)。
關鍵詞 噴瓷管道 熱模擬 焊接 熱敏感性
study of the welding hot-sensitivity of sprayed porcelain pipe
wang yong (tianjin university) wang weidong han tao (university of petroleum,shandong)
［abstract］ a combination of hst，sem and xrd was used for investigating the welding hot-sensitivity of sprayed porcelain pipe.the experimental results show that the hardness of the base metal increases and the microstructure transfers from f+p to b+p+f with the peak temperature going up;after cyclic heating to 1350℃ and 1200℃， many intergranular cracks occur in base metal.in the interface of the metal-enamel,bubbles occur，but no cracks;while at peak temperature 950℃ and 700℃，there are cracks but no bubbles； the structure of enamel coating at peak temperature 1350℃ is examined as full vitresence ， while the structure after cyclic heating at low peak temperature is mainly vitresence together with na2moo4（moo3）y crystalline phase.
keywords sprayed porcelain pipe heat simulation technique welding hot-sensitivity
1 前言
噴瓷管道是將玻璃釉經(jīng)過高溫火焰噴槍噴熔在管道內(nèi)外壁上形成一種無機非金屬涂層，該涂層不老化，耐蝕性優(yōu)異，大幅度提高了管道的使用壽命［1］。但是，管道接口在焊接過程中，由于焊接電弧熱的高溫作用會使噴瓷涂層熔化、剝離及耐蝕性變化，如不解決焊口的防腐問題，將嚴重影響管道的使用壽命［2］。目前，國內(nèi)外有不少學者從事在金屬基體上熔敷耐蝕陶瓷及玻璃涂層的研究［3～5］，而瓷層焊接熱敏感性的研究尚未見報道。本報告采用熱模擬技術再現(xiàn)噴瓷管道焊接熱影響區(qū)中各微區(qū)組織，以深入探討近縫區(qū)基體及瓷層的性能變化規(guī)律，研究焊接熱循環(huán)的影響，對噴瓷管道的生產(chǎn)應用具有重要意義。
2 試驗方法
試驗用噴瓷管道基體金屬為q235，尺寸為φ159mm×6mm，其成分見表1。采用石油天然氣-氧氣火焰噴熔玻璃釉料，熱噴玻璃釉料組成見表2。
表1 q235基體金屬的化學成分
table 1 chemical composition of base metal q235
元素 c si mn s p
含量(wt%) 0.18 0.25 0.50 0.022 0.018
焊接熱模擬試驗在gleeble-1500型熱模擬試驗機上進行，試樣尺寸為100mm×10mm×6mm帶瓷層試樣。根據(jù)實際管道手工電弧焊工藝制定模擬熱循環(huán)規(guī)范參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。不同熱循環(huán)作用后，試樣沿均溫區(qū)剖開，拋光浸蝕，測定組織硬度；然后噴金，用掃描電鏡（sem）觀察金屬及瓷層的微觀形貌；用x射線衍射（xrd）分析表面瓷層的相組成。 表2 熱噴玻璃釉料組成
table 2 components of sprayed frit
成分 na2o al2o3 b2o3 sio2 co2o3 mno2 moo3 wo3 nio
分類
底釉 22.32 7.08 14.71 31.26 — 0.11 18.5 5.03 1.0
面釉 22.32 7.08 14.71 27.71 0.75 0.11 21.3 5.03 —
表3 模擬熱循環(huán)規(guī)范參數(shù)
table 3 technological parameters of thermal simulation
組號 加熱時間
s 峰溫
tmax，°c 峰溫停留
時間，s tmax~800°c冷卻時間，s 800~500°c冷卻時間，s
1 13.5 1350 0.5 12 16
2 12.0 1200 0.5 8 16
3 9.5 950 0.5 3 16
4 7.0 700 0.5 — 13
3 結果與分析
3.1 熱循環(huán)作用后基體金屬的組織與性能
不同熱循環(huán)作用后基體金屬的組織及硬度變化見圖1和表4。試驗結果表明，噴瓷管道受不同焊接熱循環(huán)作用后，基體金屬的組織發(fā)生顯著變化，組織硬度也發(fā)生變化 。峰溫700℃ 時，組織為f（鐵素體）+p（珠光體）；峰溫950℃時，組織為細小f+p；峰溫1200℃、1350℃ 時組織轉變?yōu)閎（貝氏體）+f+p。隨峰溫升高，組織硬度由hv132增加到hv212。
另外，高峰溫作用后（1200℃，1350℃）基體金屬中產(chǎn)生了大量的晶間裂紋（圖1a,b）。低峰溫950℃作用后沒有裂紋產(chǎn)生（圖1c），峰溫700℃作用后，又有大量晶間裂紋產(chǎn)生（圖1d）。形成裂紋的原因，一方面由于高溫作用后，基體金屬組織轉變成了脆性b組織，b與f、p性能差別大，晶界容易產(chǎn)生裂紋；另一方面噴瓷時采用氮氣保護，基體金屬中溶解有一定量的氮，氮的擴散與聚集，也增加了晶界的脆性，在熱應力作用下容易開裂。峰溫950℃作用時，基體金屬組織細化，相當于q235鋼焊接熱影響區(qū)的細晶正火區(qū)，其韌性、塑性很好，不容易產(chǎn)生裂紋；峰溫700℃作用時，基體金屬接近珠光體轉變區(qū)，即臨界區(qū)，基體金屬組織出現(xiàn)臨界區(qū)脆化［6］。由于700℃作用后，基體金屬的晶界脆化及氮、內(nèi)應力共同作用導致晶間產(chǎn)生裂紋。臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)的開裂機制還有待深入研究。
圖1 不同熱循環(huán)條件下基體金屬組織
fig.1 microstructure of base metal
heat-cycled at different peak temperatures
(a) 1350℃；(b) 1200℃；(c) 950℃；(d)700℃
表4 熱模擬后基體金屬硬度
table 4 average hardness of base
metal after thermal simulation
峰溫(°c) 原始試樣 1350 1200 950 700
硬度hv(1kg) 130 212 186 145 132
3.2 不同熱循環(huán)作用后瓷層相組成
x射線衍射分析結果表明，峰溫1350℃熱循環(huán)作用后，噴瓷層全部由玻璃相組成，沒有晶相析出；峰溫1200℃、950℃、700℃和原始試樣的瓷層主要由玻璃相組成，但有na2moo4（moo3）y晶相析出,見圖2。
圖2 不同熱循環(huán)條件下瓷層x射線衍射譜
fig.2 x-ray diffraction patterns of enamel coating
heat-cycled at different peak temperatures
3.3 金屬-瓷層的界面形貌
sem觀察結果表明，峰溫1350℃、1200℃作用后，金屬與瓷層界面產(chǎn)生大量的氣泡，主要原因是高溫加熱時，從金屬、瓷釉及金屬與瓷釉的界面析出氣體，焊接熱循環(huán)的冷卻速度快，使氣體來不及通過瓷層逸出，從而產(chǎn)生氣泡。除氣泡外，金屬與瓷層的界面結合良好，無界面裂紋產(chǎn)生（圖3a，b）；峰溫950℃、700℃作用后，金屬與瓷層界面無氣泡產(chǎn)生，卻形成了大量的界面裂紋（圖3c，d）。分析認為這主要是金屬與瓷層的線膨脹系數(shù)不同，焊接熱循環(huán)作用時，金屬與瓷層之間產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，在內(nèi)應力作用下致裂。
圖3 金屬-瓷層的界面形貌
fig.3 interface image of metal-enamel
(a)1350℃；(b)1200℃；(c)950℃；(d)700℃
4 結論
(1)熱循環(huán)對噴瓷管道基體金屬組織有顯著影響，隨峰溫提高，基體硬度提高，組織由f+p轉變成b+f+p;峰溫為1350℃、1200℃和700℃ 時，基體金屬中產(chǎn)生大量晶間微裂紋。
(2)熱作用后瓷層相結構發(fā)生變化，峰溫為1350℃時，瓷層相結構為全玻璃態(tài)；峰溫低于1200℃時， 不同峰溫的瓷層相組成變化不大，以玻璃態(tài)為主，有na2moo4（moo3）y 晶相析出。
(3)熱作用后金屬-瓷層界面形貌變化很大。峰溫為1350℃、1200℃時，界面產(chǎn)生大量氣泡，但無界面裂紋；峰溫為950℃、700℃時，界面無氣泡，但有界面裂紋產(chǎn)生。