高強管線鋼焊接裂紋產生的原因及控制

李樹森，劉 敏，左秀榮

(1.中信泰富特鋼集團，上海 200041;2.鞍鋼股份公司 煉鋼總廠，鞍山 114031; 3.鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450052)

高強管線鋼焊接裂紋產生的原因及控制

李樹森1，劉 敏2，左秀榮3

(1.中信泰富特鋼集團，上海 200041;2.鞍鋼股份公司 煉鋼總廠，鞍山 114031; 3.鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450052)

高強管線鋼焊接熱影響區(HAZ)受焊接熱循環影響，韌性降低，成為焊接接頭的薄弱位置.由于焊接粗晶區粗大晶粒及焊趾處產生的應力集中，裂紋通常起源于焊趾處靠近熔合線的熱影響區粗晶區.夾雜物與基體界面處、MA島與基體界面處、存在MA島的晶界以及MA島內部是裂紋形核的主要位置.裂紋沿著晶界擴展，或從晶粒內部穿過，或沿著基體與夾雜物之間的縫隙擴展.控制焊接熱輸入減少MA島數量、細化奧氏體晶粒及利用氧化物冶金的方法促進晶內形核鐵素體的生成，有助于提高焊接熱影響區粗晶區韌性.

高強管線鋼;焊接接頭;裂紋;預防措施

管線鋼在焊接過程中，焊縫附近母材受焊接熱循環過程影響，被加熱到接近母材熔點的溫度，受其影響，出現沿焊縫兩側分布的一條晶粒粗大的粗晶組織區，即焊接熱影響區(HAZ).HAZ為焊接接頭的薄弱環節，可能成為裂紋的開裂源或沿焊道方向長程擴展的通道.

X80管線鋼原始組織為針狀鐵素體，其上分布著細小的碳化物和MA島，內部有較高的位錯密度和亞結構.針狀鐵素體晶界為高角度晶界，裂紋在擴展過程中受到晶界的強烈阻礙作用［1］，同時彌散分布的第二相粒子對位錯有很強的釘扎作用，有效地提高了韌性，因此裂紋不易在針狀鐵素體組織中形成和擴展.HAZ組織形態由母材的針狀鐵素體組織轉變為板條貝氏體和粒狀貝氏體［2］，晶粒顯著粗化，韌性降低.

本文對X80管線鋼管焊接熱影響區產生裂紋的原因進行分析并提出相應的預防措施，為提高X80管線鋼管的合格率，促進X80管線鋼在油氣輸送工程中的大規模應用奠定基礎.

1 焊接接頭裂紋的形核過程分析

HAZ粗晶區具有明顯的組織不均性，焊趾焊根處存在應力集中.當焊接工藝不合理，或母材中夾雜物數量較多、形態及分布不均時，裂紋易在焊趾處靠近熔合線的HAZ中形成.圖1為焊接接頭焊趾處宏觀及微觀組織照片.由圖1可見，裂紋起源處的組織為粗大的粒狀貝氏體和板條貝氏體組織，原始奧氏體晶界清晰可見;貝氏體鐵素體上的MA島尺寸較大，且有尺寸較大的夾雜物存在;貝氏體鐵素體中分布著高密度位錯.因此，提高母材的純凈度、降低夾雜物含量、優化焊接工藝使HAZ獲得細小均勻的組織，才可有效避免裂紋的產生，從而保證管道的運行安全.

圖1 焊接接頭焊趾處宏觀及微觀組織照片Fig.1 Macrostructure and microstructure of weld toe in weld joint(a)—焊接接頭裂紋宏觀形貌;(b)(c)—內焊焊趾處SEM照片;(d)—內焊焊趾處TEM照片

基體上MA島的形態和分布是影響HAZ粗晶區性能的主要因素，粗大的MA島易使裂紋啟裂.焊接熱輸入越大，越容易形成邊界形核鐵素體，使MA島硬度增加，裂紋越容易沿著MA島與基體的交界處形核和開裂［3］.

在焊接殘余應力、越來越高的工作壓力及復雜輸送介質作用下，高強管線鋼焊接接頭很容易產生應力腐蝕裂紋(SCC)和氫誘導裂紋(HIC).在HIC形成過程中，氫原子首先向夾雜物與基體間的縫隙或鋼中存在的微孔洞中擴散，當形成的氫分子壓力超過鋼的屈服強度時，就形成裂紋.微觀組織對焊接接頭的SCC和HIC均有重要影響.焊縫金屬中的針狀鐵素體及由于適量的Ti添加形成的彌散的含鈦碳氮化物有可能成為氫的捕獲點，有助于防止在酸性環境中裂紋的產生［4］.如焊縫金屬中Ti或Mn含量較多，則淬透性較強，在冷卻過程中會形成較多的貝氏體或MA島，造成硬度增加，極易形成SCC和HIC裂紋.Al及Si的氧化物夾雜與基體之間通常存在縫隙，在HIC形成過程中易成為裂紋的起源［5］，而氧化鋁夾雜易使SCC形核［6］.

通過對裂紋附近的顯微組織觀察，夾雜物與基體界面處、鐵素體基體與MA島界面處、MA島內部以及原始奧氏體晶界是裂紋形核的主要位置，如圖2所示.由圖2(a)可見，夾雜物誘導產生裂紋.在擴徑過程中，由于夾雜物的變形指數低，不能隨金屬基體一起變形，極易與周圍金屬脫離而形成空隙，微裂紋在非金屬夾雜物與基體金屬界面處形核.產生的裂紋呈穿晶特征的脆性解理斷裂.由圖2(b)可見，微孔和微裂紋主要在MA島和鐵素體基體的界面處形核.MA島與基體的交界處，容易產生應力集中.當界面上的剪切應力分量達到界面強度時，MA島與基體分離而萌生微裂紋.如圖2(c)所示，MA島有不同程度的破碎，微觀裂紋在此產生.如圖2(d)所示，裂紋在存在MA島的晶界形核.

圖2 熱影響區粗晶區中裂紋的形核位置Fig.2 Crack nucleation sites in HAZ(a)—裂紋在夾雜物界面處形核;(b)—裂紋在MA島界面處形核;(c)—裂紋在MA島內部形核;(d)—裂紋在存在MA島的晶界形核

2 焊接接頭裂紋的擴展過程分析

裂紋在擴展過程中，有的沿著晶界進行，有的從晶粒內部穿過，有的沿著基體與夾雜物之間的縫隙擴展，如圖3所示.裂紋擴展是沿著能量降低的方向、阻力最小的途徑進行的.裂紋前沿金屬的韌性越好，裂紋擴展的阻力越大.韌性是材料強度和塑性的綜合表現，在保證一定的強度下，提高材料的韌性可以增加裂紋擴展的阻力.在裂紋擴展過程中，不同位向裂紋的連接或裂紋在經過原奧氏體晶界和板條束界面時發生轉向，構成了裂紋擴展時的之字型路徑.

小角度晶界對裂紋擴展影響較小，但大角度晶界及分布著MA薄膜的小角度晶界能有效阻止位錯運動和裂紋擴展［7］.粗晶區貝氏體板條界為小角度晶界，板條束界為大角度晶界，原奧氏體晶界為大角度晶界.如貝氏體板條間存在幾nm或幾十nm厚的MA薄膜，也能阻止裂紋擴展，提高沖擊韌性.

3 改善焊接接頭熱影響區韌性的措施

焊接接頭的韌性與基體相比嚴重下降.HAZ與母材相比，韌性損失20%以上.沖擊韌性的上平臺能是由組織中空洞的形核、生長及粗化決定的.主要由硬相的數量、裂紋尖端塑性區的尺寸和裂紋尖端的塑性決定.減少硬相數量、增加塑性區尺寸(反比于屈服強度)、增加裂紋尖端的塑性(正比于可動位錯數量)，能增加斷裂時的吸收能.韌脆轉變溫度(50%FATT)由裂紋的形核、生長和脆性裂紋的捕獲能力決定.裂紋的形核由硬相的分布決定.高角度晶界提高脆性裂紋的捕獲能力，從而降低了50%FATT.增加的MA島數量及較高的屈服強度提高了50%FATT［8］.因此，減少MA島數量、細化奧氏體晶粒有助于提高HAZ的韌性.

圖3 熱影響區粗晶區中裂縫擴展路徑Fig.3 Crack propagation path in HAZ

碳當量CEpcm決定高強管線鋼的焊接性能及強度，采用式(1)計算［9］:

式中各元素單位為質量分數(%).X80高強管線鋼要求優異的焊接能力，通常C含量(質量分數，以下同)低于0.09%，合金元素Ni低于0.50%、Cr低于 0.45%、Mo低于 0.35%、Cu均低于0.30%、Mn低于1.85%，控制CEpcm低于0.23%，此時鋼具有較低的冷裂紋敏感性.高強管線鋼通常采用Nb、Ti微合金化，生成的TiN粒子具有較好的釘軋奧氏體晶界作用.如鋼中w(Ti)/w(N)過高，使Ti的固溶量增加，易生成粗大的貝氏體組織;如w(Ti)/w(N)過低，鋼中固溶N含量增加，導致沖擊韌性降低［10］.鋼中w(Ti)/w(N)比值應稍低于2.39，生成數量足夠、尺寸合適的TiN粒子，能有效阻止奧氏體晶粒長大，并生成多邊形鐵素體、針狀鐵素體及側板條鐵素體混合組織，有利于獲得較高的沖擊韌性.微合金元素Nb形成的Nb(C，N)和NbC也有抑制奧氏體晶粒長大的作用.

圖4 焊接接頭中的晶內形核鐵素體Fig.4 Intragrannlar ferrite in weld joint(a)—晶內形核鐵素體;(b)—A處EDS圖

目前，利用氧化物冶金方法開發了用Ti、Mg脫氧或添加B、RE等元素的微合金鋼.鋼中形成了大量的MgAl2O4、Ti2O3、TiO2或TiO、BN粒子，可作為晶內形核鐵素體的形核核心.圖4為在含Ti、Al粒子上形核的晶內形核鐵素體.由圖4可見，在奧氏體內部首先形成針狀鐵素體，把原始奧氏體分割成小區域，有效細化了之后形成的貝氏體組織，從而大大地提高了HAZ的沖擊韌性［11］.

焊接熱輸入對HAZ的沖擊韌性影響很大.管線鋼中HAZ粗晶區通常為貝氏體組織，焊接熱輸入直接影響貝氏體鐵素體板條的寬度和貝氏體中MA島的形態、大小、數量及分布，同時影響奧氏體晶粒大小.焊接熱輸入越低，奧氏體晶粒越小，貝氏體中板條貝氏體越多，粒狀貝氏體越少，貝氏體鐵素體板條寬度越窄，同時MA島越多［12］.如熱輸入太低，HAZ熔合線開裂的風險增加;如熱輸入太高，HAZ寬度變大，惡化了低溫韌性［13］.焊接熱輸入的計算如公式(2)所示［14］.優化焊接工藝參數(焊接電壓、焊接電流和焊接速度)，控制合理的焊接熱輸入，能有效提高HAZ的沖擊韌性.X80管線鋼優化的焊接熱輸入約為30 kJ/cm，優化的焊接速度約為1.5 m/min.

式(2)中:HI為熱輸入，kJ/cm;μ為焊接過程參數，取1;V為焊接電壓，V;I為焊接電流，A;S為焊接速度，m/min.

4 結論

裂紋起源于焊趾處靠近熔合線的HAZ處.夾雜物界面、鐵素體與MA島界面以及有MA島的晶界和MA島內部是裂紋形核的主要位置.裂紋常沿著晶界、晶粒內部以及基體與夾雜物之間的縫隙擴展.控制焊接熱輸入從而減少MA島數量、細化奧氏體晶粒，以及利用氧化物冶金的方法促進晶內形核鐵素體的生成，均有助于提高HAZ的韌性.X80管線鋼優化的焊接熱輸入約為30 kJ/cm，焊接速度約為1.5 m/min.

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Reasons and controlling measures for cracking in weld joint for high－strength pipeline steels

Li Shusen1，Liu Min2，Zuo Xiurong3

(1.Citic Pacific Special Steel Holdings，Shanghai 200041，China;2.Steel Making Mill of An Steel，Anshan 114031，China; 3.School of Physical Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，China)

The weld heat affected zone(HAZ)for high－strength pipeline steel is affected by the weld heat recycle，resulting in toughness decrement.Owing to the coarse grain and the stress concentration，the cracks are usually found on weld toe near the coarse grain heat affected zone(CGHAZ)near the fusion line.The principal positions of the cracks are interface of the inclusion and the steel matrix，interface of the MA island and the steel matrix，grain boundaries having MA island，and the interior of the MA island.The cracks propagate along the grain boundaries，or go through the grain interior，or extend along the gap between the steel matrix and the inclusion.It is beneficial to increase the toughness of the CGHAZ that we control heat input to decrease the amount of the MA inland，we refine austenite grain size，and we promote the formation of intragranular ferrite by oxide metallurgy.

high－strength pipeline steels;weld joint;crack;preventive measure

TG 457.11

A

1671-6620(2013)01-0067-05

2012-10-31.

李樹森 (1968—)，男，高級工程師，E－mail:Lishusen@126.com;左秀榮 (1967—)，女，鄭州大學教授，E－mail: zuoxiurong@126.com.