焊材對X70焊縫組織和性能的影響

周在生

[摘 要]針對X70管線鋼直縫埋弧焊管生產(chǎn)中出現(xiàn)焊縫沖擊值不合格問題，分析焊材與母材有可能焊接不匹配，調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋼板的成分有較大變化，為了得到較好的焊縫性能，采取了兩種焊絲進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊后通過分析焊縫顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果顯示，采用Si、Cr、Ti含量較高的焊絲焊接后取得的焊縫中先共析鐵素體（PF）和針狀鐵素體（AF）晶粒更為細(xì)小，沖擊值較高，韌性較好。

[關(guān)鍵詞]焊材成分；先共析鐵素體；針狀鐵素體；沖擊韌性

中圖分類號：TG421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）06-0051-01

0 前言

目前，隨著鋼管制造業(yè)國際國內(nèi)形勢的變化，各種微量合金元素的價(jià)格變化較大，出于對成本的控制，各鋼廠在冶煉過程中，對微量合金元素的含量也有較大調(diào)整。因此，制管廠在焊材的選擇上必須做出相應(yīng)的變化，通過焊材里面對應(yīng)合金元素的增強(qiáng)，來保證焊縫的力學(xué)性能達(dá)到要求。

2011年6月18日，我廠在生產(chǎn)某鋼廠X70，板厚為12.7mm鋼管時，出現(xiàn)了焊縫沖擊值低于工藝要求的情況，但是針對此鋼廠生產(chǎn)的同規(guī)格的鋼材，我廠在2010年3月生產(chǎn)中，就未出現(xiàn)焊沖不合的現(xiàn)象，我們分析鋼廠是否對原材料化學(xué)成分做了調(diào)整，比較了近兩年來此鋼廠生產(chǎn)的鋼材的化學(xué)成分，分析得出，Cr、Ni、V、Mo、B的含量有較大變化，2011年鋼廠主要通過增加Mo、Ni、B等元素，大大降低了Cr的含量，鋼廠通過控制終扎溫度，道次下壓率等手段可以有效控制鋼中各組織的比例，使得鋼材的力學(xué)性能達(dá)到要求。針對2011年的鋼板，我們選擇兩種合金元素不同的焊絲做了對比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X70管線鋼板，板厚為12.7mm。選擇了A，B兩種焊絲進(jìn)行了焊接，兩種焊絲的化學(xué)成分見表1：

可以看到，焊絲化學(xué)成分差異主要為Si、P、Cr、Nb、V、Ti等元素。其中A焊絲的P、Nb、V、Al的含量較高，而B焊絲的Si、Cr、Ti含量較高。

采用A，B兩種焊絲在相同焊接規(guī)范下焊接，得到了甲，乙兩根鋼管。焊縫化學(xué)成分見表2：

2 試驗(yàn)結(jié)果

內(nèi)外焊采用三絲焊，相同的焊接工藝參數(shù)，同一牌號焊劑分別匹配A，B焊絲焊后鋼管編號甲，B焊絲焊后鋼管編號乙。甲乙兩根鋼管焊縫成型良好，過渡平滑，其宏觀圖片，如圖1，其宏觀尺寸見表3：

兩根鋼管焊縫的主要力學(xué)性能見表4：

從表中可以看出，鋼管甲的沖擊值達(dá)不到API-5L的要求（單值≥60J，三值平均≥80J）；而乙鋼管，沖擊值能滿足要求。

圖2為兩種焊絲焊后得到的焊縫在500倍顯微下的組織：

兩種焊絲得到的焊縫組織區(qū)別在于：鋼管甲乙組織都以針裝鐵素體為主，但是鋼管乙的AF和PF的晶粒要比鋼管甲的更為細(xì)小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在焊接工藝參數(shù)相同的條件下，由于選用的焊絲不同，導(dǎo)致兩種焊縫的組織及力學(xué)性能差異較大，A、B兩種焊絲的區(qū)別主要在于Si、Cr、Nb、V、Ti、Al等元素含量不同。

1） 硅是縮小γ相區(qū)的元素，對Ms點(diǎn)幾乎沒有影響，但顯著提高珠光體相變溫度，在較高的溫度下形成較粗大的碳化物。當(dāng)焊縫中硅含量在0.2%—0.4%內(nèi)，隨硅含量的增加會促進(jìn)AF的形成而使SF量較少。硅還可以改變AF板條的長寬比。錳、硅同時存在時，可以做為脫氧劑，對焊縫組織和性能都有重大影響[1]。

2）Cr元素在焊縫中也能抑制PF的析出。當(dāng)w（Cr）為0—2.3%條件下，當(dāng)w（Mn）為1.0%時，隨著Cr含量增加，先共析鐵素體連續(xù)減少，AF含量隨著Cr含量增加而增加。但是當(dāng)Cr達(dá)到2.3%時候，焊縫組織絕大部分為貝氏體[1]。

3）Nb鈮在鋼中能起細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，還能使擴(kuò)散氫很快逸出，有利于防止氫致裂紋。但是鈮對低合金高強(qiáng)度鋼焊縫金屬的韌性可產(chǎn)生有害的影響，使Mn-Si系焊縫金屬韌性下降。尤其是當(dāng)針狀鐵素體少時，大大降低焊縫韌性，增加結(jié)晶裂紋的傾向。因此，一般不在低合金高強(qiáng)度鋼的焊接材料中加入鈮，焊縫中的鈮主要是由母材過渡進(jìn)入的，為防止焊縫金屬中鈮的有害作用，應(yīng)盡量使晶粒細(xì)化和提高細(xì)針狀鐵素體的比例[4]。

4）V的影響，當(dāng)焊接后不進(jìn)行正火處理時，V與焊縫中的N化合的氮化物就會以微細(xì)共格沉淀相存在，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度大幅提高，致使焊縫韌性下降。一般只有焊后進(jìn)行正火處理的焊縫V才能起到改善焊縫韌性的目的[4]。

5）焊縫中隨著鈦的加入，氧含量減少，Abson等人的研究表明，當(dāng)焊縫中臺與（O+S）含量的比值為1/15時，可獲得最佳的AF含量，并得到焊縫中鈦含量臨界值為0.003%。焊縫金屬中鈦含量達(dá)到0.001%時，顯微組織將從80%的側(cè)板條鐵素體變?yōu)?0%的AF。鈦含量小于0.003%時，隨著鈦含量的增加，AF數(shù)量增加。但當(dāng)鈦含量大于0.003%時，隨著鈦含量的增加，AF數(shù)量減少[1]。

6）鋁是強(qiáng)氧化物形成元素，具有很強(qiáng)的脫氧和細(xì)化晶粒的作用。鋁容易使AF在原奧氏體晶內(nèi)合適的夾雜物上形核長大[1]。另外，焊縫中鋁氧的含量不同，對沖擊韌性有影響。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫中[Al%]·[O%]2≈28時，焊縫可以獲得最大AF[2]。

采用B焊絲焊接的乙鋼管焊縫中，w（Mn）為1.58%，w（Si）為0.34%，都明顯高于采用A焊絲焊接的甲鋼管中的w（Mn）為1.49%，w（Si）為0.26%。較高的硅錳含量使得乙鋼管的焊縫金屬中含氧量較少，從而得到較大的奧氏體晶粒，而焊縫中豐富的錳能擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，使使奧氏體分解反應(yīng)移向較低溫度。同時，可以使共析反應(yīng)在較低的碳濃度下進(jìn)行，降低Ms點(diǎn)。所以在焊縫冷卻過程中，較大的奧氏體分解成PF和細(xì)小的AF。

同時，Cr，Ti都能起到細(xì)化晶粒的作用。所以采用B焊絲焊接的乙鋼管焊縫能得到細(xì)小的AF，獲得較高的焊縫沖擊韌性值

4 結(jié)論

鋼板的成分有變化時，特別是降低了Cr，V等合金元素時，焊絲成分也必須有所變化。選用Si，Cr等合金元素含量較高的焊絲能獲得以針狀鐵素體為主的細(xì)晶粒焊縫組織，取得良好的焊縫沖擊韌性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張德勤，雷毅，劉志義，微合金鋼焊縫金屬中的針狀鐵素體[J]。中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27（4）：141-144.