X80管線鋼焊接接頭組織及性能的研究

霍松波，姜金星，黃一新，左秀榮，張展展

(1.南京鋼鐵股份有限公司 研發中心，南京 210035;2.鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450052)

由于輸送石油和天然氣的管道運輸環境復雜，管線鋼需具備優異的性能.為了提高輸送效率，減少運輸成本，研究和生產高級別管線鋼已成為發展的趨勢.目前高級別X80管線鋼已是國際上成熟和標準的管線鋼綱級，已被世界許多國家廣泛研究并大規模生產.我國首次在西氣東輸二線主干線應用X80管線鋼管，其管線長度、輸送壓力、鋼管的壁厚都超出世界現有的X80鋼管管道水平.

X80管線鋼典型組織為針狀鐵素體，其晶粒隨機取向，尺寸大小不一，晶粒內部分布著高密度位錯.在成分設計上，針狀鐵素體X80管線鋼采用了較低的碳含量和較高的Mn含量，并通過Nb、Ti、V 微合金化和適量添加 Mo、Cu、Ni、Cr 等合金元素以強化基體，從而能夠保證X80管線鋼具有良好的強度、低溫韌性以及優異的焊接性能［1］.

在鋼管成形過程中，焊接是關鍵環節.管道出現裂紋的位置主要集中在焊接接頭處.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［2］.X80管線鋼的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［3］，同時彌散分布的第二相粒子對位錯有較強的釘扎作用，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.X80管線鋼焊接熱影響區(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［4］，晶粒顯著粗化，韌性降低.

本文以X80管線鋼焊接接頭為主要研究對象，通過硬度測試及SEM觀察，分析焊接接頭處硬度和顯微組織變化規律，為軋制及焊接工藝的制定奠定基礎.

1 試驗材料及試驗方案

試驗選取國內某廠生產的X80管線鋼焊接接頭，管體厚度為16.4 mm.其化學成分如表1所示.圖1為鋼管焊接接頭的宏觀形貌，由圖1可見，焊接接頭主要由3部分組成，即近焊縫管體母材(BM)、熱影響區(HAZ)、焊縫(WM)，HAZ 又分為熱影響區粗晶區(CGHAZ)、熱影響區細晶區(FGHAZ)和熱影響區部分重結晶區(ICHAZ).在HVS－50數顯維氏硬度計上進行硬度試驗，載荷為10 kg，加載持續時間為15 s.焊接接頭硬度測試點分布如圖2所示.在距離鋼管內、外表面1.5 mm處及厚度中心處，從焊縫中心到近焊縫管體母材進行硬度測試(見圖2中“1”“2”“3”位置);在焊縫處，從距外焊邊緣1.5 mm到距內焊邊緣1.5 mm進行硬度測試(見圖2中“4”位置).在日本JSM－6700F掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察焊接接頭顯微組織.試樣經研磨拋光后，用4%的硝酸酒精進行腐蝕，然后再進行觀察.

表1 試驗鋼化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition(mass fraction)of the X80 pipeline steel %

圖1 鋼管焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macrostructure of welded joint

圖2 維氏硬度測試點分布示意圖Fig.2 Location of hardness tests

2 試驗結果和分析

2.1 X80管線鋼焊接接頭的硬度分析

圖3為焊接接頭硬度變化.由圖3(a)可知，距內焊邊緣1.5 mm處焊縫(WM)的硬度遠大于距外焊邊緣1.5 mm和焊縫厚度中心處焊縫的硬度，硬度值最高達到256 HV;在靠近焊縫基體(BM)處，外焊附近的BM硬度值略大于內焊附近和厚度中心的BM.由于受熱循環影響，熱影響區可以分為粗晶區、細晶區和部分重結晶區.在熱影響區，硬度隨遠離焊縫而降低，靠近基體時達到最小值，但最低硬度仍達到201 HV.隨著遠離HAZ，基體硬度逐漸增大，最后保持不變.從內焊邊緣附近到外焊內焊交界處，焊縫硬度逐漸降低，但外焊硬度變化不大，內焊焊縫硬度(256 HV)遠大于外焊焊縫硬度(228 HV).

2.2 X80管線鋼焊接接頭的微觀組織分析

圖4為距外焊縫邊緣1.5 mm處，從焊縫到熱影響區的顯微組織變化.由圖4(a)可見，原始組織為針狀鐵素體組織.由圖4(b)可知，焊縫的顯微組織主要是晶內形核鐵素體，鐵素體相互交鎖緊密排列.圖4(c)為熱影響區粗晶區的顯微組織.由圖4(c)可知，這部分組織主要是粗大的貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見.貝氏體分成兩種，一種是板條貝氏體，板條馬氏體/奧氏體(M/A)島在鐵素體基體上相互平行分布;另一種是粒狀貝氏體，島狀的M/A島散亂分布在鐵素體基體上.在熱影響區細晶區，晶粒細小，遠遠小于粗晶區晶粒(圖4(d))，且晶內出現一些塊狀鐵素體.在熱影響區部分重結晶區，顯微組織由多邊形鐵素體、向上浮突的準多邊形鐵素體和分布在鐵素體晶內和晶界上的M－A島組成(圖4(e)).

圖3 焊接接頭硬度變化Fig.3 Variation of hardness in welded joint

受焊接熱循環的影響，靠近焊縫的熱影響區粗晶區的加熱溫度高達1 350～1 400℃，組織完全奧氏體化，同時冷卻速度較快，組織主要為粗大的粒狀貝氏體和板條貝氏體(圖4(c))，該區域硬度較高.由于粒狀貝氏體中大塊的高硬度MA島分布在鐵素體基體上，會產生應力集中，導致微裂紋的產生［5］，特別是位于晶界的MA極易造成裂紋的形核和擴展［6］，使沖擊韌性顯著降低.板條貝氏體具有高密度的高角度晶界，同時有效晶粒直徑更小，有助于韌性的提高［7，8］.隨距離焊縫距離的增加，受熱循環影響的峰值溫度逐漸降低，出現熱影響區細晶區，此處晶粒細小，同時晶內有鐵素體出現，使硬度減小.該區域是熱影響區韌性最好的區域.

圖4 焊縫、熱影響區的微觀組織Fig.4 Microstructure of HAZ

圖5 熱影響區附近基體微觀組織Fig.5 Microstructure of base metal near HAZ

受焊接熱循環影響，熱影響區部分重結晶區組織加熱溫度在Ac1至Ac3之間，使得這部分區域的組織只發生部分奧氏體轉變.奧氏體形成主要包括形核和長大，這兩個過程是受擴散控制的相轉變過程.奧氏體形核受原始組織的影響較大［9］.原始的針狀鐵素體組織加熱到臨界區溫度范圍時，不規則的鋸齒狀晶界及板條界給奧氏體提供了大量的形核點，同時非等軸針狀鐵素體內的亞結構和高密度的位錯逐漸溶解，邊界逐漸平直，冷卻后轉變為等軸的多邊形鐵素體加MA島組織.

圖5為靠近熱影響區的基體.由圖5可見，靠近熱影響區的基體，加熱溫度低于Ac1，造成M/A島分解，使這部分區域軟化.隨著遠離熱影響區，基體受熱循環影響減小，M/A島分解的數量和程度相應減小，硬度回升.當加熱到一定溫度時，M/A島內部碳原子活動能力增加，較低溫度下，碳原子一般作短距離遷移，在微觀缺陷處偏聚;較高溫度下，碳原子可作長距離的遷移，馬氏體中的過飽和碳原子基本脫溶，析出更穩定的碳化物.

圖6為內焊和外焊顯微組織掃描電鏡照片.由圖6(a)可知，外焊焊縫的顯微組織主要是晶內形核鐵素體、粒狀貝氏體和多邊形鐵素體.焊縫金屬中的某些夾雜物，可作為晶內形核鐵素體的形核核心.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，有效細化了組織，從而大大地提高了焊縫的沖擊韌性［10］.

由圖6(c)可知，靠近外焊的內焊焊縫的組織受二次熱循環的影響，組織為粒狀貝氏體和塊狀的鐵素體.遠離外焊的內焊焊縫的組織受二次熱循環影響較小，組織和外焊焊縫組織相差不大，仍保持原始的晶內形核鐵素體、粒狀貝氏體和多邊形鐵素體組織形貌.受二次焊接熱循環的影響，內焊組織中析出物的數量遠大于外焊焊縫組織.

在直縫雙面埋弧焊焊接過程中，先進行內焊后進行外焊，因此，在進行外焊時，內焊必然會受到外焊熱輸入的影響，組織會發生變化，進而影響內焊硬度.內焊峰值溫度最高的位置(靠近外焊)，組織發生完全奧氏體化，冷卻時生成粒狀貝氏體加少量鐵素體組織，同時內焊的組織中析出物的數量遠大于外焊，析出強化效果顯著.在內焊中，隨著遠離外焊，峰值溫度逐漸降低.隨著溫度進一步降低，內外焊組織幾乎相差不大，但在內焊組織中有較多的析出物.因此，析出強化是內焊的硬度大于外焊的主要原因.

3 結論

(1)受焊接熱循環的影響，熱影響區粗晶區組織主要為粗大的粒狀貝氏體和板條貝氏體，硬度較高.靠近熱影響區的基體，由于M/A島分解，硬度值降低.隨著遠離熱影響區，基體受熱循環影響的減小，M/A島分解的數量和程度相應減小，硬度逐漸回升.

(2)外焊焊縫的顯微組織主要是晶內形核鐵素體.焊縫金屬中的某些夾雜物，可作為晶內形核鐵素體的形核核心，有效細化組織.靠近外焊的內焊焊縫的組織受二次熱循環的影響較大，組織為粒狀貝氏體和塊狀的鐵素體.受二次焊接熱循環的影響，內焊組織中析出物的數量遠大于外焊焊縫組織，析出強化效果顯著，使內焊的硬度大于外焊的硬度.

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