高鋼級(jí)管線鋼摩擦焊焊接接頭組織與硬度分析

荊 瑞，張驍勇，景 科

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

高鋼級(jí)管線鋼摩擦焊焊接接頭組織與硬度分析

荊 瑞，張驍勇，景 科

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

為了提高高鋼級(jí)管線鋼焊縫的沖擊韌性，采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊對X80管線鋼進(jìn)行了焊接，并對其焊接接頭的組織及硬度進(jìn)行了分析和檢測。結(jié)果表明，X80管線鋼連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接接頭焊縫區(qū)組織為鐵素體和粒狀貝氏體，熱影響區(qū)的組織由原始的針狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體、針狀鐵素體及粒狀貝氏體。焊接接頭的硬度高于母材，其中焊縫區(qū)域硬度最高，達(dá)到了247.4HV10，其次是熱影響區(qū)，母材的硬度最低，且在焊縫兩側(cè)，硬度值呈對稱分布。

焊接；X80管線鋼；連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊；顯微組織；硬度

Abstract:In order to increase the weld impact toughness of high grade pipeline steel,it adopted continuous drive friction welding to weld X80 pipeline steel,and carried out analysis and detection for the microstructure and hardness.The results showed that the microstructure of weld zone of X80 pipeline steel welding joint is acicular ferrite(AF)and granular bainite.The microstructure of heat affected zone is proeutectoid ferrite(PF),acicular ferrite and granular bainite transformed by original acicular ferrite.The hardness of welding joint is higher than that of parent metal,which the weld zone hardness is the highest,reaches 247.4HV10,followed by the heat affected zone,and the hardness parent metal is the lowest.Besides,on the both sides of weld zone,the hardness distribution is symmetrical.

Key words:welding;X80 pipeline steel;continuous drive friction welding;microstructure;hardness

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對能源的需求日益增加，油氣管線作為石油、天然氣等流體最經(jīng)濟(jì)、便捷的一種運(yùn)輸方式得到了越來越多的使用。但油氣管線面臨著滑坡、泥石流、大落差地段、移動(dòng)地層、洋流等較惡劣的服役環(huán)境，這就要求管線鋼不僅要具有較高強(qiáng)度，而且要有良好的低溫沖擊韌性[1-4]。目前，在高強(qiáng)度、高韌性鋼管的焊接過程中，如何在保證焊縫強(qiáng)度和焊接工藝性的前提下提高焊縫沖擊韌性是制約這種管線鋼管發(fā)展的瓶頸。本研究采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接方法，研究了X80管線鋼焊接接頭的力學(xué)性能，為提高焊接接頭強(qiáng)韌性提供了理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用X80管線鋼，將試驗(yàn)材料加工成Φ16 mm×200 mm的圓棒狀試樣，采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 摩擦焊接工藝參數(shù)

焊前打磨試樣，去除油污。焊接采用漢中雙戟摩擦焊接制造技術(shù)有限責(zé)任公司提供的C320型連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)，焊接所用的套筒如圖1所示。焊接完成后將焊件加工成所需形狀。用405M型光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的組織形貌；用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭的微觀形貌。用HVS-50型維氏硬度計(jì)測試焊接試樣的硬度。

圖1 摩擦焊接過程中使用的套筒

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

由于摩擦焊接界面上的熱輸入是隨著摩擦線速度的增加而增大，因而從軸心至飛邊，焊合區(qū)也隨著半徑的增大而變寬[5-6]。X80鋼摩擦焊焊接接頭典型的宏觀形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，其焊接接頭的宏觀形貌近似呈X形，從軸心到飛邊，焊合區(qū)隨半徑的增大而變寬。

圖2 X80摩擦焊接頭典型宏觀組織形貌

X80管線鋼母材的組織形貌如圖3所示。由圖3可以看出，X80管線鋼母材的基本組織是針狀鐵素體，這種組織是在較快的冷卻速度下，在溫度范圍略高于貝氏體形成溫度下的連續(xù)冷卻過程中，由于擴(kuò)散和剪切變形的共同作用，形成沒有完整連續(xù)的晶界、粒度參差不一的組織。同時(shí)，由于Nb和Mo等微合金的添加、控制軋制和控制冷卻工藝的應(yīng)用，可以保證得到細(xì)小的組織。因此，以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主要組織的X80管線鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。該類管線鋼還具有良好的焊接性能，其抗應(yīng)力腐蝕、氫誘發(fā)裂紋的能力也較高[7]。

圖3 X80管線鋼母材的組織形貌

在掃描電鏡下可以發(fā)現(xiàn)X80管線鋼顯微組織體現(xiàn)出了典型的針狀鐵素體特征，組織中的針片結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)。這是由于試驗(yàn)鋼中含有的合金元素Mo能夠使鐵素體析出線明顯右移，從而抑制先共析鐵素體的形成，但對貝氏體轉(zhuǎn)變的推遲較小，所以，過冷奧氏體直接向貝氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)，由于Mo的存在，C在奧氏體中的擴(kuò)散激活能增加，從而使C的擴(kuò)散系數(shù)降低；因此，Mo在強(qiáng)烈抑制先共析鐵素體的析出和長大的同時(shí)，促進(jìn)了高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體的形成[8-10]。晶界方向不一，且相互交割，晶粒細(xì)化明顯，M/A島組織和第二相析出物體積細(xì)小且較為均勻地分布在晶界或晶粒內(nèi)部。

X80管線鋼焊接接頭焊縫區(qū)和HAZ的顯微組織如圖4所示。由圖4（a）可見，焊縫區(qū)組織主要為針狀鐵素體，并有少量的板條狀鐵素體、珠光體和M/A島組織。焊縫組織晶粒較母材組織晶粒更為細(xì)小也更為均勻，這主要是由于摩擦焊接是屬于固相焊，在焊接過程中焊縫金屬處于半熔化狀態(tài)。同時(shí)在摩擦壓力的作用下晶粒尺寸變小，成分混合均勻。相比于熔化焊接接頭的焊縫而言，摩擦焊接接頭的焊縫寬度明顯變小。

圖4 X80管線鋼焊接接頭焊縫區(qū)和HAZ顯微組織 500×

由圖4（b）可見，粗晶區(qū)的組織主要為貝氏體和少量的M/A。粗晶區(qū)即為過熱區(qū)，加熱溫度范圍 Tks－Tm（Tks為開始晶粒急劇長大溫度，Tm為熔點(diǎn)），當(dāng)熱至1 100℃以上至熔點(diǎn)，晶粒急劇長大。焊后空冷條件下呈粗大的貝氏體組織，塑性韌性降低，但由于X80管線鋼超低的含碳量使得M/A島含量很少，而且分布均勻，這有利于提高材料的韌性，使得其粗晶區(qū)仍具有較高沖擊韌性。

由圖4（c）可見，細(xì)晶區(qū)組織主要為晶粒細(xì)小的針狀鐵素體。細(xì)晶區(qū)即為正火區(qū)，也是相變重結(jié)晶區(qū)，加熱溫度范圍 Ac3－Tks之間，約為900～1 100℃。焊后空冷使該區(qū)內(nèi)的金屬相當(dāng)于進(jìn)行了正火處理，其組織為均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體，力學(xué)性能優(yōu)于母材。

由圖4（d）可見，熱影響區(qū)的混合區(qū)呈現(xiàn)層狀、塊狀結(jié)合分布狀態(tài)，晶粒有大有小。鋼中的Ti、Nb和Mo等微合金元素易于在鋼中形成微小的碳氮化物（M（CN））粒子，彌散分布于晶內(nèi)和晶界，抑制奧氏體晶粒的長大，使得HAZ沒有產(chǎn)生過熱組織。

2.2 力學(xué)性能分析

對焊接接頭進(jìn)行硬度分析時(shí)，首先要確定好區(qū)域。本次試驗(yàn)在焊縫中心處依次向左和向右在試樣中心水平線上均勻取點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間相距0.5 mm，依次經(jīng)過焊縫、粗晶區(qū)、粗晶細(xì)晶混合區(qū)、細(xì)晶區(qū)和母材，硬度試驗(yàn)檢測點(diǎn)位置如圖5所示。為了使試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確，每個(gè)試樣總共取37個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)上、中、下各測三次，取其平均數(shù)。硬度檢測結(jié)果見表2和圖6。

圖5 硬度試驗(yàn)檢測點(diǎn)位置示意圖

從圖6可見，焊接接頭的硬度呈現(xiàn)對稱分布，經(jīng)過熱處理的試樣熱影響區(qū)中，硬度有高有低，并不是均勻排列。這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)中分布著不同區(qū)域，一般來說，熱影響區(qū)中粗晶區(qū)的硬度最低，因?yàn)樵诤附訒r(shí)，該區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌度明顯下降；熱影響區(qū)中細(xì)晶區(qū)的硬度最高，因?yàn)槠浣M織為均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，機(jī)理類似于細(xì)晶強(qiáng)化，使得該區(qū)域硬度增加。

表2 硬度檢測結(jié)果

圖6 硬度檢測結(jié)果

鋼的硬度一方面取決于其晶粒度的大小，另一方面還與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，尤其是C及其合金元素在奧氏體中的溶入量。經(jīng)驗(yàn)表明，X80管線鋼中，在獲得同種顯微組織的前提下，晶粒越細(xì)小，變形抗力越大，鋼的硬度值越大。

3 結(jié) 論

（1）X80管線鋼屬針狀鐵素體管線鋼，經(jīng)過焊接過程中熱的作用，X80管線鋼HAZ的組織由原始的針狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體、針狀鐵素體及粒狀貝氏體。在焊接接頭不同的區(qū)域，其組織形貌是不同的。在焊縫區(qū)焊縫組織主要為針狀鐵素體，并有少量的板條狀鐵素體、珠光體和M/A組元；熱影響區(qū)粗晶區(qū)為鐵素體和粒狀貝氏體；細(xì)晶區(qū)為均勻細(xì)小的鐵素體和貝氏體組織；HAZ與母材混合區(qū)主要為貝氏體和少量M/A組元。

（2）進(jìn)行摩擦焊接后，X80焊接接頭的硬度高于母材，其中焊縫區(qū)域硬度最高，達(dá)到了247.4HV10，其次是熱影響區(qū)，母材的硬度最低，且在焊縫兩側(cè)，硬度值呈對稱分布。

（3）M/A組元呈條狀均勻分布在鐵素體周圍，M/A組元中的殘余奧氏體是一種有利的韌性相。研究表明，在外力作用下，奧氏體可以開動(dòng)多個(gè)滑移系同基體一起變形，這樣可以起到協(xié)調(diào)基體各晶粒變形的作用，提高鋼的塑性。使得焊接接頭的硬度得到了提高。

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Analysis on Microstructure and Hardness of High Steel Grade Pipeline Steel Friction Welding Joint

JING Rui,ZHANG Xiaoyong,JING Ke
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China）

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.005

2016-03-24

編輯：謝淑霞

荊 瑞（1990—），女，在讀碩士研究生，主要從事連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的研究工作。