填充金屬對(duì)X100管線鋼焊縫組織性能的影響

馬文軍， 李 琳， 張 敏， 張啊妮

（1.陜西西宇無(wú)損檢測(cè)有限公司，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

填充金屬對(duì)X100管線鋼焊縫組織性能的影響

馬文軍1，2， 李 琳1，2， 張 敏2， 張啊妮1

（1.陜西西宇無(wú)損檢測(cè)有限公司，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

采用埋弧自動(dòng)焊機(jī)和焊接熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)X100管線鋼進(jìn)行了埋弧雙絲焊接試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種焊接工藝下得到的焊縫區(qū)組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對(duì)X100管線鋼組織性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫組織主要以針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織比較細(xì)小，與母材性能相比，焊縫區(qū)的沖擊韌性良好，強(qiáng)度有待提高；經(jīng)過(guò)焊接熱模擬方法所得X100管線鋼焊縫區(qū)的組織主要以板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，焊縫區(qū)的強(qiáng)韌性基本和母材保持一致。

焊接；X100管線鋼；焊縫組織；填充金屬；力學(xué)性能

0 前 言

目前生產(chǎn)的X100管線鋼是一種超高強(qiáng)度的多相鋼，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的經(jīng)濟(jì)效益，可使長(zhǎng)距離油氣管線成本節(jié)約5%～12%，主要體現(xiàn)在材料節(jié)約、提高輸送壓力、減小施工量、降低維護(hù)費(fèi)用、優(yōu)化整體方案等方面[1－2]。國(guó)內(nèi)外研究表明[3－7]，X100管線鋼主要由板條貝氏體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，通過(guò)控軋控冷工藝（TMCP）得到的X100管線鋼具有超潔凈度、超均勻性和超細(xì)晶粒的組織特點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。然而，焊縫組織是一種鑄態(tài)組織，不可避免地存在合金元素的偏析，偏析對(duì)焊縫組織和性能的影響很不利，若單純靠加入更多合金元素以達(dá)到細(xì)化焊縫晶粒的目的，又可能會(huì)對(duì)焊縫金屬淬透性產(chǎn)生不良影響，同時(shí)合金元素會(huì)以固溶方式存在于基體中，造成焊縫金屬塑性和韌性下降[8-9]。這給焊縫金屬的強(qiáng)韌化帶來(lái)很大困難，這也是目前焊接材料的發(fā)展明顯滯后于鋼材發(fā)展的原因之一。鑒于此，筆者采用埋弧自動(dòng)焊機(jī)和焊接熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)X100管線鋼進(jìn)行了埋弧雙絲焊接試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種焊接工藝下所得焊縫區(qū)組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對(duì)X100管線鋼組織性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果將為更高級(jí)別管線鋼及其焊材的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 焊接工藝

采用埋弧自動(dòng)焊機(jī)對(duì)X100管線鋼進(jìn)行實(shí)際埋弧雙絲焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。為了跟實(shí)際埋弧雙絲焊所得焊縫區(qū)組織性能進(jìn)行對(duì)比，筆者結(jié)合表1所示埋弧焊焊接工藝參數(shù)，制定出表2所示埋弧雙絲焊焊接熱模擬工藝參數(shù)，并且采用焊接熱模擬方法對(duì)X100管線鋼進(jìn)行了埋弧雙絲焊熱模擬試驗(yàn)；通過(guò)對(duì)比分析兩種焊接工藝下所得焊縫區(qū)組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對(duì)X100管線鋼組織性能的影響規(guī)律。

表1 埋弧雙絲焊焊接工藝參數(shù)

表2 埋弧雙絲焊焊接熱模擬工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 埋弧雙絲焊焊縫區(qū)組織分析

圖1為X100管線鋼焊接接頭微觀組織，采用自行研制的焊劑匹配H03MnNi3MoTiB焊絲，通過(guò)埋弧自動(dòng)焊機(jī)所得。采用4%硝酸酒精腐蝕接頭后，可清楚看出內(nèi)外焊組織的生長(zhǎng)方向、焊縫區(qū)、熔合線及HAZ。圖1（a）為焊接接頭宏觀形貌，從圖中可以看出焊道內(nèi)部沒(méi)有氣孔、夾雜以及未焊透的情況，焊縫邊緣熔合良好，成形整齊；熔合線的位置、熱影響區(qū)的寬度、熔池形狀與深度、焊縫柱狀晶的結(jié)晶形態(tài)和生長(zhǎng)方向都清晰可見(jiàn)，內(nèi)外焊道的柱狀晶幾乎是垂直熔合線在焊縫中心交遇。焊縫微觀組織如圖1（b）所示，主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織極為細(xì)小，多數(shù)晶粒在5 μm以下。

圖1 實(shí)際埋弧雙絲焊焊縫微觀組織

圖2 焊接熱模擬的焊接熱循環(huán)曲線

圖3 焊接熱模擬雙絲焊所得近焊縫區(qū)微觀組織

采用焊接熱模擬方法模擬埋弧雙絲焊的焊接熱循環(huán)曲線如圖2所示。圖中箭頭所指為局部放大的雙絲焊熱循環(huán)曲線，從局部放大圖中可以看出母材首先經(jīng)歷了前絲焊的熱循環(huán)，緊接著又經(jīng)歷了后絲（通過(guò)預(yù)熱約1 200℃模擬后絲焊）所形成的二次焊接熱循環(huán)；采用焊接熱模擬方法模擬埋弧雙絲焊所得焊縫區(qū)組織如圖3所示，從圖中可以清晰的看出，焊縫區(qū)組織主要由板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，并且晶粒比較粗大，但晶內(nèi)板條束比較細(xì)密。X100管線鋼屬于低碳貝氏體鋼的范疇，其采用低碳微合金化設(shè)計(jì)，Mo和B等微合金元素的加入抑制了奧氏體向珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變，使鐵素體轉(zhuǎn)變曲線明顯右移，同時(shí)使貝氏體轉(zhuǎn)變曲線變得扁平，擴(kuò)大了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，使其在較大的冷卻范圍內(nèi)就能得到貝氏體組織。與圖1（b）焊縫區(qū)組織對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)填充焊絲的埋弧雙絲焊所得焊縫組織比較細(xì)密，焊縫組織主要以針狀鐵素體為主，而經(jīng)過(guò)1 350℃焊接熱循環(huán)所得X100管線鋼焊縫區(qū)組織比較粗大，焊縫區(qū)組織主要以板條貝氏體為主，同樣是經(jīng)歷類似的焊接熱過(guò)程，所得焊縫的組織組成相、晶粒尺寸、相比例卻發(fā)生了明顯的變化，兩種研究方法的主要區(qū)別在于采用熱模擬方法焊接時(shí)未使用焊接材料而采用埋弧焊接時(shí)填充了相應(yīng)的焊接材料。采用焊接熱模擬方法所得的焊縫區(qū)組織，在經(jīng)歷相應(yīng)的焊接熱過(guò)程中，母材組織隨著加熱溫度的升高進(jìn)行了奧氏體化，隨后在冷卻過(guò)程中進(jìn)行了相應(yīng)的相變，相當(dāng)于一個(gè)單純的連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程；而埋弧焊接過(guò)程中在母材、焊絲、焊劑的共同作用下，焊縫區(qū)不僅經(jīng)歷了溶質(zhì)再分配，而且受各合金元素之間的交互作用以及母材稀釋率的影響，而母材稀釋率直接影響進(jìn)入焊縫金屬中的微合金種類和數(shù)量，進(jìn)而影響焊縫金屬的組織組成相。通過(guò)以上分析可知，焊縫金屬的組織即不是母材組織的簡(jiǎn)單重熔，也不等同于焊接材料熔敷金屬的組織，它是母材和焊材在焊接熱循環(huán)作用下的整合，通過(guò)圖1～圖3組織的對(duì)比分析可知，焊絲和焊劑的加入對(duì)焊縫組織起到至關(guān)重要的作用。

2.2 埋弧雙絲焊焊縫區(qū)力學(xué)性能分析

表3為實(shí)際埋弧雙絲焊和焊接熱模擬埋弧雙絲焊所得焊縫區(qū)的力學(xué)性能，表4為X100管線鋼母材的力學(xué)性能。從表3和表4可以看出，實(shí)際埋弧雙絲焊所得焊縫區(qū)組織具有良好的韌性，強(qiáng)度相比母材有所下降，而經(jīng)過(guò)焊接熱模擬試驗(yàn)所得焊縫區(qū)組織的強(qiáng)韌性基本和母材保持一致；宏觀性能是內(nèi)在組織的表現(xiàn)形式，組織組成相是影響宏觀性能的內(nèi)在因素，實(shí)際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫區(qū)組織主要以針狀鐵素體為主，而經(jīng)過(guò)1 350℃焊接熱循環(huán)所得X100管線鋼焊縫區(qū)組織主要以板條貝氏體為主，針狀鐵素主要表現(xiàn)為良好的韌性，而板條貝氏體具有較高強(qiáng)度的同時(shí)也具備優(yōu)良的韌性[10]，因此在保證韌性提高焊縫強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在焊絲合金系的設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮與母材成分接近的焊絲合金系。

表3 不同焊接工藝下X100管線鋼焊縫的力學(xué)性能

表4 X100管線鋼母材的力學(xué)性能

2.2 埋弧雙絲焊焊縫區(qū)斷口形貌分析

圖4為不同焊接工藝下X100管線鋼焊縫區(qū)的沖擊斷口形貌。從圖4（a）可以看出經(jīng)過(guò)實(shí)際埋弧雙絲焊所得焊縫區(qū)的斷口形貌主要以韌窩狀為主，并且韌窩比較密集，數(shù)量較多且深度較大，故表現(xiàn)出較好的塑性，斷裂時(shí)沖擊吸收功較大。圖4（b）采用熱模擬方法所得焊縫區(qū)斷口的韌窩相對(duì)于圖4（a）就比較稀疏，因此表現(xiàn)在沖擊韌性方面不如經(jīng)過(guò)實(shí)際埋弧雙絲焊所得的焊縫組織，但也屬于韌性斷裂。

圖4 不同焊接工藝X100管線鋼焊縫區(qū)沖擊斷口形貌

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)過(guò)實(shí)際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫組織主要以針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織比較細(xì)小，與母材性能相比，焊縫區(qū)的沖擊韌性良好，強(qiáng)度有待提高。

（2）采用熱模擬方法模擬實(shí)際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫區(qū)的組織主要以板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，焊縫區(qū)的強(qiáng)韌性基本和母材保持一致。

（3）通過(guò)對(duì)比分析兩種工藝下所得X100管線鋼的組織和性能可知，焊絲和焊劑在焊接過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，焊接材料的加入不僅影響焊縫區(qū)的組織組成相，而且直接影響焊縫區(qū)的強(qiáng)韌性匹配，為了提高管線鋼的強(qiáng)度可在焊絲設(shè)計(jì)方面考慮與母材成分含量相似的焊絲合金系，并且加入適當(dāng)?shù)捻g化、細(xì)化晶粒的微合金元素和稀土元素來(lái)保證焊縫區(qū)的韌性。

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Effect of Filler Metal on Weld Microstructure Properties of X100 Pipeline Steel

MA Wenjun1，2,LI Lin1，2,ZHANG Min2,ZHANG Ani1
(1.Shaanxi Xiyu Non-destructive Testing Company,Yangling 712100,Shaanxi,China；2.School of Materials Science and Engineering,Xi’ an University of Technology,Xi’an 710048,China)

The double wire submerged arc welding experiment of X100 pipeline steel was conducted by adopting the automatic submerged arc welding machine and welding thermal simulation testing machine,the changing situation and effect factors of weld zone microstructure properties under different welding process were analyzed,and the influence rule of filler metal on microstructure properties of X100 pipeline steel were studied.The results showed that the weld microstructure prepared by double wire submerged arc welding consist of acicular ferrite,granular bainite and a small amount of proeutectoid ferrite,the microstructure is small,the toughness is better than that of base metal,and the strength needs to be improved.The weld zone microstructure of X100 pipeline steel prepared by welding thermal simulation consist of lath bainite and a small amount of granular bainite,the toughness of weld zone is consistent with the base metal.

welding;X100 pipeline steel；weld microstructure;filler metal；mechanical properties

TG422.1

A

1001－3938（2015）05－0018－04

馬文軍（1985—），男，助理工程師，主要從事焊接技術(shù)相關(guān)工作。

2014－09－09

李紅麗