熱處理條件對X60鋼高頻焊管焊縫組織和性能的影響

王 瀅，聶向暉，荊松龍

（1.中國石油化工股份有限公司物資裝備部，北京100728；2.中國石油天然氣集團公司石油管工程技術研究院，西安710065；3.中國石油物資上海公司，上海201103）

0 引 言

高頻焊接（HFW）技術是利用高頻電流的集膚效應和臨近效應將母材邊緣迅速加熱到焊接溫度后進行擠壓、焊接從而實現材料連接的技術［1］。HFW具有冶金過程簡單、加熱時間短、發熱影響小、變形和應力小以及焊縫外形美觀等特點；而且，HFW不需要焊絲和焊條等填充金屬以及乙炔和氬等焊接材料，焊接成本低、操作簡單，易于實現機械化，生產效率高［2－3］。

用HFW技術進行焊接時，一般需在焊后對焊縫進行類似于正火的在線熱處理，即對焊縫再次加熱，從而改善焊縫性能［4］。與熱處理爐中的整體加熱不同，HFW焊縫的在線熱處理采用局部加熱，加熱和冷卻時間短，易造成壁厚方向上的溫度不均勻，在熱處理冷卻后容易出現混晶現象，從而造成焊縫性能不穩定。目前在管材的生產中也常采用HFW技術，一般多采用兩臺或多臺中頻熱處理爐進行連續加熱，這樣既可以使壁厚方向的溫度更加均勻，又可使保溫時間延長，使焊縫組織的相變更充分，從而進一步改善焊縫的組織和性能［5－6］。而熱處理溫度是影響HFW焊縫性能的一個重要因素，溫度較低時，焊接過程中形成的硬化組織得不到改善；而較高的溫度則會使相變后的γ晶粒過分長大，容易在焊縫處形成粗大晶粒，從而使焊縫性能劣化。通過選擇合理的熱處理溫度即可以消除焊接過程形成的應力，改善焊接時形成的硬化組織，又可達到細化晶粒、提高焊縫強韌性的目的。

X60鋼是已大量應用的鋼種，但目前有關該鋼HFW焊管熱處理工藝的研究報道并不多，為此，作者利用馬弗爐加熱的方式模擬了其在線熱處理過程，研究了正火溫度對HFW焊縫組織、強度和韌性的影響，同時比較了模擬試驗與在線熱處理條件下焊縫組織和性能的差異。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料取自X60鋼級HFW焊管，其尺寸為φ508mm×9.5mm，焊接速度為12m·min－1，在線熱處理溫度為920℃，其化學成分如表1所示。

表1 X60鋼HFW焊管的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of X60HFW pipe（mass）%

截取未經熱處理的HFW焊管，在試驗室內利用馬弗爐模擬其在線熱處理（正火）過程，正火溫度分別為820，870，920，950，980℃，保溫時間5min，空冷。

對不同溫度正火后的焊縫、未經熱處理的焊縫以及實際生產中經在線熱處理后的焊縫分別取樣，經4%（體積分數）硝酸酒精腐蝕后采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡進行顯微組織觀察；并依據API Spec 5L采用WEB－600A型萬能試驗機進行常溫拉伸試驗，采用JB－300B型沖擊試驗機在0℃進行沖擊試驗，其中拉伸試樣為全壁厚板狀試樣，寬度為38.1mm，沖擊試樣為3／4尺寸試樣，試樣缺口位于焊縫處。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1（a）可以看出，HFW焊管的母材組織為鐵素體和珠光體（F＋P），鐵素體以細小的等軸多邊形鐵素體為主，晶粒度為11.5級，部分晶粒沿壓延方向變形而呈條帶狀分布，帶狀組織為1.5級。由圖1（b），（c）可以看出，未熱處理焊縫和熱影響區的組織為針狀鐵素體（AF）、多邊形狀鐵素體（PF）、貝氏體（B）以及珠光體（P），帶狀組織不明顯。與母材相比，其二者的晶粒略顯粗大，且晶粒大小不均勻，有混晶現象。焊縫由于經歷了熔融、凝固及相變過程，母材中的帶狀組織消失，鐵素體和珠光體均勻分布，其中的貝氏體主要是在焊后快速冷卻條件下形成的。由圖1（d）可以看出，在線熱處理后，焊縫組織較為均勻，鐵素體主要呈塊狀，平均晶粒度10.5級。

圖1 不同試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of different samples：（a）base material；（b）heat affected zone without heat treatment；（c）welded seam without heat treatment and（b）welded seam after online heat treatment

從圖2和表2可以看出，經820℃正火后，HFW焊縫中貝氏體數量明顯減少，由于正火溫度低，保溫時間短，且該溫度位于兩相區，加熱過程中碳向溶碳能力更強的γ相中富集，而貧碳的鐵素體晶粒持續長大，因而混晶現象較為嚴重；870℃正火后焊縫組織相對較為均勻，晶粒尺寸略微長大，且貝氏體逐漸消失，組織為鐵素體和珠光體的兩相組織；920℃正火后焊縫組織與870℃正火處理的差異不大，但熱影響區和母材的晶粒進一步長大，其晶粒尺寸基本與焊縫一致，均為10級。

圖2 不同溫度正火處理后焊縫的顯微組織Fig.2 Microstructure of welded seam after normalizing treatment at different temperatures

另由圖2（c～e）、圖1（d）以及表2可以看出，920℃正火處理后的焊縫晶粒尺寸略大于在線熱處理后的，其主要原因是在模擬試驗中試樣的保溫時間相對較長，且受散熱條件的影響，其冷卻速率小于在線熱處理狀態下的；正火溫度升高到950℃后，焊縫、熱影響區和母材的晶粒進一步長大，且三個部位處的晶粒尺寸基本相同，均為9.5級；溫度升高到980℃后，焊縫晶粒長大至8.5級，且組織中出現尺寸較大的塊狀珠光體，珠光體片層粗大，其片層結構已可明顯分辨。此外，還可以發現，HFW焊縫組織對正火溫度變化比較敏感，在較低的正火溫度下（低于870℃），其組織已有較為明顯的變化，而母材的組織變化要滯后于焊縫和熱影響區的。

表2 不同熱處理狀態下HFW焊管的顯微組織和晶粒度Tab.2 Microstructure and grains size of HFW pipe in different heat treatment states

2.2 抗拉強度

由表3可以看出，未熱處理HFW焊縫的抗拉強度較高，斷裂位置在母材上，即焊縫的抗拉強度大于母材（約596MPa）的；820℃正火后，焊縫的抗拉強度明顯下降，斷裂位置為焊縫，說明焊縫強度低于母材的；隨正火溫度的升高，焊縫的抗拉強度逐漸降低，920℃正火后，焊縫的抗拉強度降為532MPa，與在線熱處理后的強度較為接近，斷裂位置為焊縫和母材處，亦說明此時焊縫與母材的強度基本相當；當溫度達到980℃時，焊縫的抗拉強度明顯下降，僅為502MPa，低于標準規定的X60鋼的最小抗拉強度（520MPa）。

表3 不同熱處理狀態下HFW焊縫的拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of HFW seam in different heat treatment states

對于HFW焊縫來說，由于沒有填充金屬，在不考慮焊接過程中合金元素燒損的情況下，母材與焊縫的化學成分基本一致，因而組織結構的變化是影響HFW焊縫及母材強度的主要因素。從前面的顯微組織可知，未熱處理HFW焊縫的組織為鐵素體、貝氏體和珠光體，晶粒尺寸也基本與母材的相當，由于貝氏體的強化作用，其抗拉強度較高；820℃正火后，母材的組織變化不明顯，而焊縫中的貝氏體數量明顯減少，強化作用明顯減弱，且部分晶粒長大，其抗拉強度低于母材的；隨正火溫度升高，焊縫和母材的晶粒尺寸逐漸長大，細晶強化作用逐漸減弱，因而其強度逐漸降低，當溫度升至920℃后，焊縫與母材的組織及晶粒尺寸基本一致，其強度基本相當，隨正火溫度進一步升高，焊縫及母材處晶粒粗化，其強度也進一步降低。

2.3 沖擊韌性

從表4可以看出，正火熱處理對改善HFW焊縫沖擊韌性具有明顯作用，未經正火處理焊縫的沖擊吸收功較低，僅為80J，在820，870℃較低溫度下正火后，其韌性有所提高，但不明顯，沖擊吸收功分別為95，102J，其吸收功在920℃時達到了最大值，為139J，略高于在線熱處理后的，之后隨正火溫度的升高，焊縫的沖擊吸收功逐漸下降。

從顯微組織可知，正火溫度較低時（820℃），部分鐵素體晶粒長大，混晶現象嚴重，焊縫中的淬硬組織、粗大的鐵素體晶粒及碳分布不均勻導致沖擊韌度較低，920℃正火后，淬硬組織消失，焊縫、母材及熱影響區的組織及合金元素分布得更加均勻，且晶粒長大不明顯，因而有利于提高焊縫的沖擊韌性，正火溫度較高時（950℃及以上），晶粒粗化明顯，對沖擊韌性不利。

表4 不同熱處理狀態下母材及HFW焊縫的沖擊吸收功Tab.4 Impact absorbing energy of base material and HFW seam in different heat treatment states

3 結 論

（1）未熱處理的X60鋼HFW焊縫組織為針狀鐵素體、多邊形鐵素體、貝氏體和珠光體；隨正火溫度的升高，貝氏體數量逐漸較少直至消失，焊縫、熱影響區和母材中的晶粒尺寸逐漸增加。

（2）隨正火溫度的升高，HFW焊縫的抗拉強度逐漸降低，沖擊吸收功則先升后降，在920℃正火后，焊縫的抗拉強度為532MPa，沖擊吸收功最大，為139J。

（4）920℃在線熱處理后焊縫的晶粒尺寸與在實驗室模擬的相同正火溫度下的晶粒尺寸相比略顯粗大，但它們的抗拉強度和沖擊韌性基本相當。

［1］王榮.顯微組織和熱處理對直縫電阻焊管溝槽腐蝕的影響［J］.金屬學報，2002，38（12）：1281－1286.

［2］孫永喜.ERW鋼管在長輸管道建設中的應用［J］.油氣儲運，2001，20（1）：47－49.

［3］熊建新.石化產業使用焊管替代無縫鋼管的前景分析［J］.焊管，2002，25（4）：7－10.

［4］張敏，趙鵬康，王文武，等.高頻電阻焊連續油管焊接 HAZ組織性能熱模擬分析［J］.焊接技術，2011，40（2）：12－15.

［5］馮釗棠，謝仕強，蘇騰太.ERW鋼管焊縫沖擊韌性影響要素分析［J］.焊管，2004，27（5）：22－25.

［6］茹成章，王新虎.HFW石油套管焊縫沖擊韌性影響因素分析［J］.焊管，2010，33（6）：33－36.