焊接材料對X70直縫埋弧焊管焊縫組織性能的影響

王 燕

（中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北 荊州 434001）

隨著鋼管制造業(yè)國內(nèi)外形勢的變化，各種微量合金元素的價格變化較大，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［1-4］。因此，制管廠在焊材的選擇上必須做出相應(yīng)的變化，通過焊材里對應(yīng)合金元素的增強，來保證焊縫的力學(xué)性能達(dá)到要求。

中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司（簡稱沙市鋼管分公司）采用X鋼廠2018年軋制的X70鋼級鋼板生產(chǎn)壁厚12.7 mm直縫埋弧焊管時，出現(xiàn)了焊縫低溫沖擊功低于工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的情況；但前期采用該鋼廠2015年軋制的同鋼級鋼板生產(chǎn)同規(guī)格焊管時，并未出現(xiàn)焊縫低溫沖擊韌性不合格的現(xiàn)象，而影響鋼管焊縫熔敷金屬組織性能的主要是焊縫的固溶強化、變質(zhì)處理（微合金元）和焊接工藝的調(diào)整［5-10］。生產(chǎn)這兩批焊管時，采用的焊接工藝均相同，且根據(jù)沙市鋼管分公司通過焊接試驗構(gòu)建的管線鋼埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型［11］，嚴(yán)格將管線鋼鋼管的焊接線能量控制在220 J/mm2以內(nèi)，為此需要分析焊接材料是否與鋼板母材成分匹配。

隨著國內(nèi)管線鋼制造工藝技術(shù)水平的突飛猛進，鋼廠通過優(yōu)化控制終軋溫度、道次、壓下率及調(diào)整原料中合金元素的含量等，以保證鋼材力學(xué)性能滿足指標(biāo)要求。X鋼廠在不同年份生產(chǎn)的X70鋼級鋼板的化學(xué)成分見表1?？梢钥闯觯煌攴萆a(chǎn)的同規(guī)格同鋼級鋼板原料，其Cr、V、Mo含量有較大變化，2018年大大增加了Cr、V元素的含量，但取消了Mo元素；而焊縫中的Mo含量在0.20%～0.35%時，在焊縫中有利于形成均一的細(xì)晶鐵素體，這不僅提高了材料強度，同時也能改善材料的韌性。

表1 X鋼廠在不同年份生產(chǎn)的X70鋼級鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

因此，針對2018年的鋼板，選擇合金元素不同的兩種焊絲進行對比試驗，以研究焊接材料對X70鋼級直縫埋弧焊管焊縫組織性能的影響。

1 試驗材料

試驗用原料為國內(nèi)X鋼廠生產(chǎn)的X70鋼級管線鋼鋼板，板厚為12.7 mm，其組織形貌如圖1所示。選擇兩種焊絲進行焊接，化學(xué)成分見表2。從表2可以看到：兩種焊絲的化學(xué)成分差異主要為Mn、Si、Cr、Ti、Cu、Al等元素，A 焊絲的 Cu、Al含量較高，而B焊絲的Mn、Si、Cr、Ti含量較高。

圖1 X70鋼級管線鋼鋼板的組織形貌

采用A、B兩種焊絲在相同焊接規(guī)范下焊接，分別得到了甲、乙兩根直縫埋弧焊管，其焊縫化學(xué)成分見表3。

表2 兩種焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3 兩種焊絲焊后不同焊管焊縫的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2 試驗結(jié)果

內(nèi)外焊采用三絲焊，同一牌號焊劑，相同的焊接工藝參數(shù)，具體參數(shù)見表4。甲、乙兩根焊管焊縫成型良好，過渡平滑，其宏觀形貌如圖2所示，焊縫尺寸見表5。

分別在甲、乙兩根焊管上取4組（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）焊縫、熱影響區(qū)沖擊試樣，并進行-20℃沖擊性能試驗。-20℃時兩種焊管的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功見表6。從表6中可以看出：兩根焊管焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功均達(dá)到客戶標(biāo)準(zhǔn)要求（單個值≥60 J，平均值≥80 J），但乙焊管的沖擊韌性數(shù)值更優(yōu)。

兩種焊管的焊縫顯微組織如圖3所示。兩種焊絲焊接得到的熔敷金屬的金相組織都是由先共析鐵素體+針狀鐵素體組成；但與甲焊管相比，乙焊管的先共析鐵素體數(shù)量有所減少，且針狀鐵素體晶粒更細(xì)小均勻，這種組織特征有利于提高沖擊韌性，與沖擊試驗結(jié)果相吻合。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖2 兩根焊管的焊縫宏觀形貌

表5 兩根焊管的焊縫尺寸mm

表6 -20℃時兩種焊管的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功J

圖3 兩種焊管的焊縫顯微組織

3 試驗結(jié)果分析

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

（1）Mn、Si元素既可使低合金鋼焊縫充分脫氧，又可彌補碳含量低造成的強度損失。近幾年研究表明，當(dāng)錳含量小于2%時，鋼的強度隨錳含量的增加而提高，而沖擊韌性下降的趨勢甚小。Mn元素能擴大奧氏體γ相區(qū)，縮小了先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)間，使先共析鐵素體沒有充足的時間生長；因此，組織中等軸狀的鐵素體會減少，針狀的鐵素體會增多，進而會影響低碳鋼的性能。隨著組織中Mn含量的增加，鐵素體晶粒的尺寸增大，這是因為在奧氏體化和冷卻的過程中，Mn元素能夠促進鐵素體晶粒的長大；因此，Mn含量越高，在相同加熱條件下，鐵素體晶粒尺寸越大［12］。當(dāng)焊縫中w（Si）在0.2%～0.4%，隨著Si含量的增加，會促進針狀鐵素體AF的形成而使側(cè)板條鐵素體SF量生成較少。Si還可以改變AF板條的長寬比。Mn、Si同時存在時，可以作為脫氧劑，對焊管焊縫組織和性能都有重大影響。

（2）Cr元素在焊縫中也能抑制先共析鐵素體PF的析出。w（Cr）為0～2.3%條件下，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)w（Cr）達(dá)到2.3%，焊縫組織絕大部分為貝氏體［13］。

（3）Ti與氧的親和力很大，焊縫中的Ti是以微小顆粒氧化物（TiO）的形式彌散分布于焊縫中，在冷卻過程中，由δ鐵素體向奧氏體γ轉(zhuǎn)變時，這些微小顆粒作為“釘子”位于晶粒邊界，阻礙奧氏體晶粒的長大，細(xì)化了晶粒。此外，小顆粒的TiO還可以作為針狀鐵素體的形核質(zhì)點，在γ→α轉(zhuǎn)變階段促進形成AF，Ti與N也有類似的作用［14］。

（4）Al是強氧化物形成元素，具有很強的脫氧和細(xì)化晶粒的作用。Al容易使針狀鐵素體AF在原奧氏體晶內(nèi)合適的夾雜物上形核長大［5］。

對于乙焊管，B 焊絲中 w（Mn）為 1.94%，w（Si）為0.32%，都明顯高于甲焊管用A焊絲中的Mn、Si含量。B焊絲中較高的Mn、Si含量使得乙焊管焊縫金屬中O含量較少，而焊縫中豐富的Mn能擴大奧氏體γ相區(qū)，縮小了先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)間，使奧氏體分解反應(yīng)向較低溫度移動；同時，可以使共析反應(yīng)在較低的C濃度下進行，所以在焊縫冷卻過程中，較大的奧氏體分解成先共析鐵素體PF和細(xì)小的針狀鐵素體AF。同時，Cr與Ti都能起到細(xì)化晶粒的作用，所以采用B焊絲焊接的乙焊管的焊縫能得到細(xì)小的針狀鐵素體AF，獲得較高的焊縫沖擊韌性值。

4 結(jié) 語

鋼板原料的化學(xué)成分含量有變化時，特別是Cr、V、Mo等合金元素化學(xué)成分含量較低時，制管廠在確定焊接工藝焊材選擇上，需匹配合適的焊材，以獲得較好的焊縫熔敷金屬組織，確保埋弧焊接后焊管焊縫的機械性能。