自保護藥芯焊絲焊縫組織及性能研究

楊柳青王　宏隋永莉尹長華趙海鴻夏培培

（1.中國石油天然氣管道科學研究院，廊坊065000；2.石油天然氣管道工程質量監督站，廊坊065000）

0　前言

目前國內油氣管線建設正處于高峰期，X70管線鋼已成功用于西氣東輸管線的建設，X70管線鋼為低C，Nb，V和Ti系合金控軋控冷鋼，通過C和Mn元素的固溶強化，Nb，V和Ti微合金元素細化晶粒，形成碳化物沉淀，其微觀組織主要為多邊形鐵素體、準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、珠光體和M/A組元等[1]。自保護藥芯焊絲以其優良的抗風能力、較高的焊接效率和便捷的操作方式，成功應用于X70管線現場組對焊接中[2]。現場焊接的方法是先利用纖維素焊條電弧焊或者STT氣保護半自動焊進行根焊，然后再用自保護藥芯焊絲半自動下向焊進行填充和蓋面，完成管道的對接[3-4]。除了石油管線建設外，自保護藥芯焊絲還能夠廣泛應用于高層建筑、海洋平臺、橋梁等氣體和輔助設備不容易運送到的場合，是一種節能型焊接材料。

本研究采用E71T8-Ni1J自保護藥芯焊絲進行了X70管線鋼管半自動焊接，通過光譜分析、金相、掃描電鏡、力學性能等試驗手段，研究了X70管線鋼管自保護藥芯焊絲焊縫不同焊層及層間熱影響區的組織特征和焊縫力學性能。

1　試驗材料及試驗過程

母材選用國內某鋼廠生產的X70管線鋼管，規格為φ1 016 mm×17.5 mm。焊接材料為AWS A5.29 E71T8-Ni1J自保護藥芯焊絲，焊絲直徑為φ2.0 mm。母材和焊縫熔敷金屬化學成分見表1。焊接使用林肯DC-400型直流焊機和LN-23P送絲機，焊接工藝參數見表2。

表1　X70管線鋼和E71T8-Ni1J自保護藥芯焊絲化學成分　%

表2　X70管線鋼管焊接工藝參數

試件焊接后，對焊縫切取金相、拉伸和夏比沖擊試樣，取樣位置如圖1所示。拉伸試驗參考GB/T 228—2010在WAW1000B微機控制電液伺服萬能試驗機上進行；V形缺口夏比沖擊試驗溫度為-20℃，采用10 mm×10 mm×55 mm標準試樣，參考GB/T 229—1994在JB500沖擊試驗機上進行；采用HBV-30A型布維硬度計檢測焊縫的硬度。焊縫金相試樣經過研磨、拋光后，使用4%硝酸酒精溶液和Lepara試劑侵蝕，采用Axio lmager型光學顯微鏡和JSM-6010LV掃描電鏡對X70管線鋼自保護藥芯焊絲焊縫的組織特征進行觀察，利用ImageTool 3.0圖像分析軟件對試樣組織中M/A組元體積分數和平均弦長進行定量分析。

圖1　焊縫試樣取樣位置示意圖

2　試驗結果與討論

2.1　焊縫組織特征

X70管線鋼管焊縫宏觀照片如圖2所示，可以看出，焊縫主要分為根焊、填充和蓋面層。填充層又分為4道次，每一道次之間存在明顯的熱影響區，焊縫內部可看到清晰的柱狀晶組織。

X70管線鋼管焊縫金相組織如圖3所示。由圖3（a）根焊層的金相組織可以看出，組織中主要由板條馬氏體和少量粒狀貝氏體組成，馬氏體所占比例較大，約60%，馬氏體尺寸形態大致相同；由圖3（b）填充層的金相組織可以看出，組織較粗大、分布不均勻，主要由準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A組元組成，其中粒狀貝氏體所占比例較大；由圖3（c）填充層間熱影響區的金相組織可以看出，層間熱影響區組織較填充層組織細小均勻，以粒狀貝氏體為主，可觀察到較清晰的原始奧氏體晶界，在晶界上可看到分布較多的“項鏈狀”M/A；由圖3（d）蓋面層金相組織可以看出，晶粒相比填充層和層間熱影響區粗大，大小分布不均勻，主要以準邊形鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體以及M/A組元組成，其中粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體所占比例較大。

圖2　X70管線鋼管焊縫宏觀照片

圖3　X70管線鋼管焊縫的金相組織

采用Lepara試劑侵蝕后的彩色金相組織如圖4所示。由圖4可見，組織中呈亮白色且凸起的是M/A組元，形狀以塊狀、粒狀和長條狀為主，基體呈紅褐色或者暗褐色。通過圖像分析軟件計算出焊縫不同層中M/A組元的體積分數和平均弦長見表3。由圖4（a）填充層組織可看出，M/A組元在晶粒內部彌散分布，尺寸較均勻，呈塊狀和長條狀，平均弦長為3～4 μm，體積分數約7.8%；由圖4（b）填充層間熱影響區組織可看出，組織中M/A組元數量較多，尺寸較大，且分布不均勻，呈塊狀和長條狀，并且帶有尖棱角，平均弦長為8～12 μm，體積分數約12.6%，并且在部分晶界處可以觀察到較多呈“項鏈狀”分布的M/A；由圖4（c）蓋面層組織可以看出，該區域中的M/A組元數量介于填充層及層間熱影響區，體積分數為11.8%，但是M/A尺寸較大且不規則，分布不均勻，平均弦長10～15 μm，最長的可達30～40 μm，并且在組織中還觀察到了尺寸較大的夾雜物。

圖4　X70管線鋼管焊縫彩色金相組織

結合圖3和圖4可以發現，蓋面層中M/A組元呈長條狀平行排列，尺寸較大，分布不均勻，而填充層間熱影響區M/A組元數量較多，呈塊狀和長條狀，帶有尖棱角，并且可觀察到較多的“項鏈狀”M/A。焊縫填充層間熱影響區組織如圖5所示，從圖中可以更清楚地看到M/A組元的分布和形狀特征。焊接過程中由于填充下一層會對前一層產生強烈的熱循環作用，“項鏈狀”M/A是峰值溫度在Ac1～Ac3之間的再次加熱后產生的，這種“項鏈狀”M/A可能是引起焊縫韌性降低的原因之一。文獻[5]表明，條狀M/A組元更容易誘發裂紋，M/A組元的平均弦長（即尺寸大小）是引起局部脆化的重要因素，當M/A組元的平均弦長大于2 μm時可構成Griffith裂紋的臨界尺寸。根據本研究的試驗結果，對于試驗X70管線鋼管來說，層間熱影響區組織中沿晶界分布的 “項鏈狀”M/A、晶內貝氏體板條間形成的平行排列的條狀M/A組元、帶尖棱角的塊狀M/A組元以及焊縫中粗大不均勻的組織都會降低焊縫韌性。

表3　不同焊層中M/A組元的體積分數和平均弦長

圖5　焊縫填充層間熱影響區組織特征

2.2　焊縫力學性能

X70管線鋼管焊縫力學性能見表4。焊縫抗拉強度為720～750 MPa，夏比沖擊吸收功為78～128.5 J。M/A組元對焊縫沖擊韌性影響較大，沖擊吸收功為128.5 J時，組織較均勻，M/A組元較細小，分布均勻，沿晶界分布的“項鏈狀”M/A較少；沖擊吸收功為78 J時，組織均勻性較差，M/A組元粗大，棱角尖銳，并且“項鏈狀”M/A也較多。對于M/A組元數量的影響，有研究[6-7]認為，高碳含量的M/A組元作為組織中硬的第二相，它的存在破壞了材料基體的連續性，其含量的增加對鋼材的韌性不利。然而通過試驗結果來看，M/A組元體積分數的增加并不一定降低焊縫沖擊韌性，因此需要綜合考慮其形態特征等的影響。

表4　X70管線鋼管焊縫力學性能

3　結論

（1）根焊組織主要由細小的等軸晶、板條馬氏體和少量粒狀貝氏體組成；填充焊層中可以觀察到明顯的奧氏體晶界，組織主要由準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A組元組成；層間熱影響區組織由少量準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、M/A組元以及沿奧氏體晶界連續分布的“項鏈狀”M/A組成。

（2）通過彩色金相分析，蓋面層中M/A呈長條狀平行排列，尺寸較大，分布不均勻，而填充層間熱影響區M/A組元數量較多，呈塊狀和長條狀，帶有尖棱角，并且可以觀察到較多的“項鏈狀”M/A，這種“項鏈狀”M/A是引起焊縫韌性降低的原因之一。

（3）M/A組元對焊縫沖擊韌性影響較大，沖擊吸收功為128.5 J時，組織較均勻，M/A組元較細小，沿晶界分布的“項鏈狀”M/A較少；沖擊吸收功為78 J時，組織均勻性較差，M/A組元粗大，棱角尖銳，并且“項鏈狀”M/A也較多。

參考文獻：

［1］王曉香.超高強度管線鋼管研發新進展［J］.焊管，2010，33（02）:5-12.

［2］潘川，喻萍，田志凌，等.自保護藥芯焊絲焊接X70管線鋼接頭力學性能和微觀組織特點［J］.焊接學報，2007，28（11）:94-96.

［3］隋永莉，杜則裕，黃福祥，等.氫對自保護藥芯焊絲焊縫韌度的影響［J］.焊接學報，2006，27（12）:74-76.

［4］張振永.長輸油氣管道的自保護藥芯焊絲半自動焊［J］.焊接，2006（04）:51-54.

［5］高惠臨，董玉華，王榮.管線鋼焊接臨界粗晶區局部脆化現象的研究［J］.材料熱處理學報，2001，22（02）:60-65.

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［7］仝珂，莊傳晶，劉強，等.高鋼級管線鋼中M/A島的微觀特征及其對力學性能的影響［J］.機械工程材料，2011，35（02）:4-7.