X100管線鋼埋弧焊焊接接頭的組織特征

張 敏，楊 亮，陳飛綢，鄭 雯，李繼紅

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)石油、天然氣的需求量日益增加。作為石油和天然氣最經(jīng)濟(jì)、最安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送方法，管線輸送近年來(lái)得到了巨大發(fā)展。目前全世界石油、天然氣輸送用管材消耗量已達(dá)1 000萬(wàn)t以上，管線總長(zhǎng)度已經(jīng)遠(yuǎn)超過230萬(wàn)km，并以每年3%的速度增加［1-3］。大口徑、高壓輸送以及選用高鋼級(jí)管材是輸送管線發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，采用高壓輸送和高強(qiáng)度管材可大幅節(jié)約管線建設(shè)和運(yùn)行成本［4-6］。目前，X80管線鋼在我國(guó)已被廣泛使用，X100、X120高鋼級(jí)管線鋼也已相繼開發(fā)成功，但X120管線鋼還停留在試驗(yàn)研制階段，因此X100管線鋼成為現(xiàn)階段高壓輸送石油和天然氣的首選材料。管線的使用離不開焊接，但焊接工藝會(huì)改變管線鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其使用性能；而且目前針對(duì)X100 母材和焊接熱影響區(qū)顯微組織的研究較多，而對(duì)焊縫金屬顯微組織的研究較少，所以研究X100管線鋼焊縫的顯微組織就顯得至關(guān)重要。鑒于此，作者采用埋弧焊對(duì)X100管線鋼進(jìn)行雙面焊，并對(duì)其焊接接頭的顯微組織進(jìn)行了觀察，深入分析了焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）組織的變化情況，為改善X100管線鋼性能提供理論基礎(chǔ)，為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用某鋼廠生產(chǎn)的X100管線鋼板材，板厚為15.3 mm。焊板開內(nèi)、外坡口，內(nèi)坡口角度為（60±3）°，外坡口角度為（90±3）°，鈍邊9mm；其主要化學(xué)成分如表1所示。

焊絲選用H03MnNi3型焊絲，其中前絲直徑為4.0 mm，后絲直徑為3.2 mm，主要化學(xué)成分見表2。焊劑的主要化學(xué)成分見表3。

焊接試驗(yàn)采用LINCOLN 型交直流雙絲埋弧自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行對(duì)接直縫焊接，接頭間隙1.0mm，分內(nèi)、外焊接。焊前打磨試樣表面，正面焊完后對(duì)反面進(jìn)行清根埋弧焊接（即先內(nèi)焊后外焊）。焊絲伸出導(dǎo)電嘴的長(zhǎng)度為25～38mm，采用大線能量焊接的工藝參數(shù)（如表4所示）。

采用OLYMPUSGX-71 型光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。

表1 X100管線鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of X100pipeline steel（mass） %

表2 H03MnNi3焊絲的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Main chemical composition of H03MnNi3welding wire（mass） %

表3 XAUTSJ101ZC焊劑的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Main chemical composition of XAUTSJ101ZC flux（mass） %

表4 焊接工藝參數(shù)Tab.4 Parameters of welding procedure

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 母材的顯微組織

X100管線鋼為一種低碳微合金控軋控冷超細(xì)晶粒鋼，鋼中含有鈦、鈮和鉬等微合金元素，一般情況下這些微合金元素會(huì)在鋼中形成熔點(diǎn)很高的微小碳氮化合物相，這些相彌散分布于晶內(nèi)和晶界上，在焊接熱循環(huán)過程中會(huì)限制奧氏體晶粒長(zhǎng)大［7］。

由圖1可見，X100管線鋼母材組織由鐵素體和粒狀貝氏體組成，白色的為細(xì)晶鐵素體，尺寸為1～10μm，分布于原奧氏體基體上，它在原奧氏體晶粒內(nèi)形成；在細(xì)晶鐵素體之間及內(nèi)部分布有細(xì)小的黑色粒狀貝氏體，尺寸更細(xì)小。

圖1 X100管線鋼母材的顯微組織Fig.1 Microstructure of X100pipeline steel base metal

2.2 焊縫區(qū)的顯微組織

從圖2可以看出，焊縫區(qū)的顯微組織主要為針狀鐵素體（AF）、粒狀貝氏體（GB）以及少量的M／A島和黑色夾雜物顆粒。針狀鐵素體細(xì)小，呈條束狀，以“籃筐編結(jié)”形態(tài)存在，晶粒大小不等，但整體分布較為均勻，相互之間的位向關(guān)系不定，晶界處有一定的夾角，為混雜分布形式。這些彼此咬合互相交錯(cuò)分布的針狀鐵素體可以有效阻礙裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的強(qiáng)韌性。另外，在針狀鐵素體細(xì)小條束間分布的高密度位錯(cuò)對(duì)材料強(qiáng)韌性的提高也有重要作用。與焊縫邊緣的組織相比，焊縫中央的AF、GB分布得更均勻，且交錯(cuò)分布的程度更大，可以更有效提高材料的強(qiáng)韌性。

在焊接過程中，由于鋼中錳、鉻、鎳、鉬等合金元素含量比較高，且均屬于強(qiáng)化元素，大大增加了奧氏體的穩(wěn)定性。鉻元素可以顯著降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度，阻礙碳擴(kuò)散，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變［8］；錳元素在較高溫度下可抑制先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的析出，提高針狀鐵素體的含量；鉬含量的增加，可有效推遲先共析鐵素體轉(zhuǎn)變；鎳元素在低溫時(shí)可以減小焊縫金屬的摩擦阻力和釘扎常數(shù)，促進(jìn)螺型位錯(cuò)交滑移，使材料獲得較高的低溫韌性［9］?？梢婂i、鉻、鎳、鉬等合金元素的存在，可促進(jìn)粒狀貝氏體和針狀鐵素體的形成，使焊縫在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)也能獲得良好的韌性。

圖2 X100管線鋼焊接接頭焊縫的顯微組織Fig.2 Microstructure of weld seam of X100pipeline steels welded joint：（a）at the center of weld seam and（b）at the edge of weld seam

2.3 熱影響區(qū)（HAZ）的顯微組織

在管線鋼的焊接熱循環(huán)過程中，根據(jù)熱循環(huán)的特征，熱影響區(qū)鐵素體的主要組織形態(tài)有多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF），貝氏體的主要組織形態(tài)有粒狀貝氏體（GB）和貝氏體鐵素體（BF）。

從圖3 可以看出，與X100管線鋼母材組織相比，熱影響區(qū)的組織明顯粗大。說明了X100管線鋼的熱敏感性較大，由于焊接熱循環(huán)的作用，造成了熱影響區(qū)的軟化和過熱區(qū)（粗晶區(qū)）晶粒的長(zhǎng)大，進(jìn)而使材料脆化。在靠近焊縫側(cè)的粗晶區(qū)組織形態(tài)發(fā)生了明顯變化，晶粒粗化明顯，同時(shí)有少量QF 和PF存在。QF不是管線鋼的理想組織，隨著其含量的增加，材料的強(qiáng)韌性降低［10］。而靠近母材側(cè)細(xì)晶區(qū)的組織多為從奧氏體晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)的細(xì)密板條，不同位向的板條使原奧氏體晶界清晰可見。細(xì)晶區(qū)的主要組織為BF和GB，板條間為薄膜狀或條狀M／A 島，組織較為細(xì)小。BF 對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性是有益的，其強(qiáng)化可歸結(jié)為由轉(zhuǎn)變溫度降低引起的晶粒細(xì)化效應(yīng)以及亞晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，而韌化除了細(xì)化晶粒外，還由于消除了大塊珠光體，組織中的M／A 島更小，分布也更均勻。因而BF賦予了材料優(yōu)良的強(qiáng)韌化特性［11］。

圖3 X100管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.3 Microstructure of heat affected zone of X100pipeline steels welded joint：（a）coarse grain zone near weld seam and（b）coarse grain zone near base metal

可見，在焊接過程中焊縫及其附近區(qū)域的金屬經(jīng)歷了獨(dú)特的焊接熱循環(huán)過程。在焊接過程中，焊接接頭熱影響區(qū)中靠近焊縫側(cè)的金屬在固相線以下至1 100 ℃左右的溫度區(qū)間處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，冷卻后得到粗大的組織，即形成了粗晶區(qū)，使接頭韌性下降；另外，由于奧氏體極端過熱，M／A 島也相對(duì)粗大，易成為裂紋源和裂紋擴(kuò)展通道，進(jìn)一步降低該區(qū)的韌性。在熱影響區(qū)中靠近母材側(cè)的金屬由于被加熱到Ac3以上而發(fā)生了再結(jié)晶，鐵素體和珠光體幾乎全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后得到了均勻細(xì)小的組織，形成了細(xì)晶區(qū)，此時(shí)材料的塑性和韌性都較好。

3 結(jié) 論

（1）X100管線鋼母材組織為鐵素體和粒狀貝氏體，細(xì)小的粒狀貝氏體彌散均勻地分布在鐵素體晶界和內(nèi)部，具有一定的強(qiáng)化作用。

（2）焊縫區(qū)的組織主要為針狀鐵素體（AF）、粒狀貝氏體（GB）以及極少量M／A 島和黑色夾雜物顆粒，AF 組織細(xì)小，呈條束分布，細(xì)小條束間的高密度位錯(cuò)可以有效提高材料的強(qiáng)韌性。

（3）與焊縫和母材的組織相比，熱影響區(qū)的組織明顯變粗；熱影響區(qū)不同區(qū)域處的鐵素體形態(tài)不同，粗晶區(qū)為準(zhǔn)多邊形鐵素體和多邊形鐵素體，而細(xì)晶區(qū)則為貝氏體鐵素體。

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