X120級管線鋼P(yáng)—GMAW接頭組織分析

司亞威+王宇+王向磊+趙明

摘 要：X120級管線鋼強(qiáng)度高，但由于大量合金元素的存在，其可焊性差并且容易出現(xiàn)焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。針對上述問題，對X120管線鋼進(jìn)行了脈沖熔化極氣體保護(hù)焊試驗(yàn)，得到了成型良好的焊接接頭。分析焊縫區(qū)和熱影響區(qū)微觀組織發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)組織形態(tài)主要為下貝氏體和馬氏體，且晶粒細(xì)??；熱影響區(qū)組織主要為粒狀貝氏體、板條貝氏體和長條狀的M-A組元，晶粒發(fā)生明顯長大，這是導(dǎo)致焊接接頭性能軟化的主要原因。

關(guān)鍵詞：X120管線鋼；脈沖熔化極氣體保護(hù)焊；顯微組織

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.042

1 X120管線鋼

與普通管線鋼相比，X120管線鋼中加入了B元素。B元素的加入可以提高可淬性，促進(jìn)馬氏體和下貝氏體的形成。含有B元素的母材和熱影響區(qū)具有更高的韌性。合金元素Ti和Nb的加入，可以防止焊接熱影響去的過度退火。鋼板的焊接性主要取決于鋼板的碳當(dāng)量，本次實(shí)驗(yàn)所用X120鋼的Ceq值為0.53。其值高于普通的管線鋼，因此焊接性較差。

X120管線鋼的典型組織為下貝氏體加少量馬氏體，下貝氏體組織可以使管線鋼得到足夠的強(qiáng)度和韌性。研究表明，化學(xué)成分相近的下貝氏體和馬氏體，其強(qiáng)度也相近。并且X120管線鋼中的下貝氏體晶粒細(xì)小，這使得其具有更高的韌性。

2 X120鋼的焊接試驗(yàn)及接頭組織性能分析

2.1 焊接工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)所用X120鋼的厚度為16.0 mm，管徑為916 mm。針對管口與管口組對環(huán)縫焊接，采用窄間隙雙V型復(fù)合坡口設(shè)計(jì)。窄間隙坡口的設(shè)計(jì)使得焊接熔敷量大大減少，各焊層熔寬和熱影響區(qū)寬度相差較小，極大程度地提高了焊接效率、降低了焊接成本。根據(jù)焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，各焊層間熔合良好并未出現(xiàn)未熔合、未焊透現(xiàn)象，整個(gè)焊縫宏觀無裂紋、氣孔等缺陷。

試驗(yàn)采用P-GMAW焊接工藝對X120鋼板環(huán)形焊縫進(jìn)行五層焊接，包括根焊層、熱焊層、填充一層、填充二層和蓋面層，不同焊層在焊接時(shí)采用不同的焊接工藝參數(shù)。

2.2 焊接接頭組織分析

由于工件上不同位置與焊接熱源的距離不同，所以各點(diǎn)經(jīng)歷不同的焊接熱循環(huán)。與普通熱處理相比，焊接熱過程是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過程，溫度梯度很大，因此焊縫上不同位置的點(diǎn)經(jīng)歷的熱循環(huán)有很大的差別，這就導(dǎo)致了在焊縫上不同位置上產(chǎn)生形態(tài)不一的微觀組織。

焊接過程中，在電弧熱的作用下，X120管線鋼母材發(fā)生熔化，并且與填充金屬熔合，形成焊接熔池，由于焊接電弧的不斷移動，當(dāng)電弧遠(yuǎn)離時(shí)，焊接熔池凝固形成焊接接頭。從金相照片中可以看到下貝氏體組織和馬氏體組織。X120管線鋼焊縫區(qū)的馬氏體多呈板條狀，板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為高密度的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度高達(dá)（0.3～0.9）×1012cm-2。低碳的位錯(cuò)型馬氏體具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的韌性。X120管線鋼焊縫區(qū)有大量下貝氏體，空間形態(tài)呈雙凸透鏡狀，與試樣磨面相交呈片狀或針葉狀。在光學(xué)顯微鏡下，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀，針與針之間呈一定的角度。在電子顯微鏡下可以觀察到下貝氏體中碳化物的形貌，它們細(xì)小彌散，呈粒狀或短條狀，沿著與鐵素體長軸55°～60°角取向平行分布。

研究表明，下貝氏體的強(qiáng)度與相同化學(xué)成分馬氏體相近，而細(xì)小交錯(cuò)的下貝氏體組織又使得管線鋼同時(shí)具有較高的韌性。在五個(gè)焊層中，其微觀狀態(tài)略有不同，但都有馬氏體和下貝氏體。對照標(biāo)尺可以看出，下貝氏體和馬氏體的晶粒尺寸普遍分布在10 μm～20 μm之間， 一般不會超過25 μm， 較小尺寸的組織形態(tài)避免了晶粒粗大而帶來焊縫區(qū)軟化的不良現(xiàn)象，保證了焊縫力學(xué)性能要求。馬氏體和下貝氏體的出現(xiàn)可以保證焊縫區(qū)的強(qiáng)度，而細(xì)小交錯(cuò)的下貝氏體保證了焊縫具有足夠的韌性。

焊接過程是一個(gè)快速加熱、熔化、連續(xù)冷卻的過程，在焊縫周圍的母材由于受到電弧熱的作用會經(jīng)歷升溫和降溫過程，這是一個(gè)特殊的熱處理過程，因此在焊縫周圍形成焊接熱影響區(qū)。在熱影響區(qū)的不同位置，由于離電弧的距離不同，所經(jīng)歷的熱循環(huán)過程也不同，因此形成的組織形貌也不同。

X120級管線鋼熱影響區(qū)的組織形態(tài)主要有粒狀貝氏體（GB）、板條狀貝氏體（LB）和呈長條狀的馬氏體-奧氏體組元（M-A）。熱影響區(qū)晶粒尺寸明顯變大，一些粒狀貝氏體的邊界長度已經(jīng)超過25 μm。粒狀貝氏體和板條貝氏體通常在稍高于上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度（350 ℃～550 ℃）、中等冷卻速度條件下形成，兩者強(qiáng)度、延伸率相近，但板條貝氏體的沖擊功卻是粒狀貝氏體的5倍，因此過多的粒狀貝氏體將會導(dǎo)致管線鋼焊縫韌性降低。X120鋼較高的碳當(dāng)量，使得組織中會析出較多數(shù)量M-A組元，且大部分M-A組元呈長條鏈狀分布，長度可以貫穿整個(gè)貝氏體晶粒。這都使得X120鋼焊接接頭出現(xiàn)一定程度的局部軟化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）采用窄間隙復(fù)合雙V型坡口設(shè)計(jì)，選用脈沖熔化極氣體保護(hù)工藝焊接X120級管線鋼，總共焊接5層，包括根焊層、熱焊層、填充一層、填充二層和蓋面層，能獲得成型良好的焊接接頭。

（2）焊縫區(qū)的主要組織形態(tài)為下貝氏體和馬氏體，且晶粒尺寸主要分布在10 μm～20 μm之間，一般不會超過25 μm。焊縫區(qū)組織細(xì)小，具有良好的力學(xué)性能，可以滿足焊縫的組織性能要求。

（3） 焊接熱影響區(qū)主要組織為粒狀貝氏體、板條貝氏體和長條狀M-A組元，晶粒尺寸出現(xiàn)明顯的長大，且大部分M-A組元呈長條狀分布，長度可以貫穿整個(gè)貝氏體晶粒。粗大的晶粒使熱影響區(qū)組織塑韌性嚴(yán)重下降，長條狀M-A組元也會使焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)一定程度局部軟化現(xiàn)象。

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