自保護藥芯焊絲中Cr含量對鋼管焊縫沖擊性能及組織的影響

汪 鳳，范玉然，張希悉，孫巧飛

（中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊065000）

0 前 言

近年來，隨著石油、天然氣工業的迅速發展，油氣輸送管道的建設也達到了高峰期。自保護藥芯焊絲半自動焊焊接技術具有焊接生產率高、抗風能力強、焊接工藝性能好和綜合成本低等優點[1-2]，被越來越廣泛地應用于管道施工中，因此，自保護藥芯焊絲焊接接頭的性能引起了管道建設者的廣泛關注。然而，保護藥芯焊絲焊接接頭沖擊性能不穩定一直是影響自保護藥芯焊絲半自動焊工藝工程應用的主要因素。

本研究從自保護藥芯焊絲合金元素角度出發，探究了自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫沖擊性能不穩定的主要影響因素。采用兩種不同Cr含量的自保護藥芯焊絲對同一種鋼板進行焊接，對獲得的焊縫金屬進行夏比沖擊性能檢測和金相組織分析，探究了合金元素Cr對自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫組織及沖擊性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗用母材為X70管線鋼，壁厚14.5 mm，化學成分見表1，焊材為金橋焊材有限公司配制的自保護藥芯焊絲，焊絲熔敷金屬化學成分見表2。兩種焊材中成分差異較大的為Cr含量，目的是為了研究該合金元素對焊縫沖擊性能和組織的影響。焊材熔敷金屬的力學性能見表3。焊接工藝參考西氣東輸二線的工藝，焊接坡口形式如圖1所示。

表1 X70管線鋼化學成分%

表2 焊材熔敷金屬化學成分%

表3 焊材熔敷金屬力學性能

圖1 焊接坡口形式

2 試驗結果及分析

依據西氣東輸二線工程焊接工藝，對表2中的自保護藥芯焊絲與表1中的母材進行焊接匹配試驗。因焊縫的區別僅在焊絲合金元素含量的不同，故下文以焊絲編號對焊縫加以區分。對不同匹配的焊縫進行系列溫度下的夏比沖擊試驗，焊縫沖擊試樣均取自焊縫中心，得到的系列溫度沖擊試驗結果見表4，圖2為焊縫韌脆轉變曲線。可以看出，由于焊材中Cr含量的不同，焊縫韌脆轉變存在明顯的差異。

表4 焊縫系列溫度下的沖擊試驗結果

圖2 焊縫試樣的韌脆轉變曲線對比

對焊縫金屬進行組織觀察，金相組織結果如圖3所示。為了分析焊縫中M/A含量、形態及分布差異，對焊縫進行了彩色金相分析，彩色金相試劑為Lepera，分析結果如圖4所示。

考慮到工程實用性，僅對－20℃條件下的沖擊試驗結果進行對比分析。同時，由于自保護藥芯焊絲在工程上應用時，主要問題表現為沖擊離散性大，因此，本研究對幾種焊縫試樣的沖擊離散性進行了比較分析。采用標準偏差表征焊縫沖擊離散度。焊縫系列溫度下沖擊離散度計算結果見表5，沖擊性能的對比直方圖如圖5所示。

圖3 焊縫試樣金相檢驗結果200×

圖4 焊縫試樣彩色金相結果500×

表5 －20℃條件下五種焊縫沖擊離散性分析

圖5 焊縫試樣沖擊性能對比直方圖

從圖4可以看出，－20℃條件下，Cr含量較高的1#焊縫試樣沖擊功平均值高于2#焊縫，但沖擊功離散度也遠遠高于2#焊縫試樣。

從圖3焊縫組織分析結果可以看出，雖然兩種焊縫組織主要均為貝氏體+鏈狀組織，但1#和2#試樣的焊縫組織存在以下差異。

（1）焊縫組織晶粒大小不同，Cr含量高的1#組織較2#組織粗大。

（2）貝氏體中的碳化物顆粒大小不同，Cr含量高的1#焊縫試樣組織中，貝氏體晶粒中的長島狀碳化物顆粒比2#焊縫貝氏體晶粒中的長島狀碳化物顆粒粗大。

（3）焊縫中鏈狀組織的分布不同，1#焊縫組織中的鏈狀組織主要分布于粗大貝氏體組織的晶界 （見圖4中亮白色為M/A島），且呈明顯的鏈狀分布，而2#焊縫組織中的鏈狀組織主要分布于細小貝氏體組織的晶界，鏈狀分布特征不如1#焊縫試樣明顯。

為了便于比較焊縫組織差異，采用圖像處理方法，對圖4中M/A所占面積比例進行分析，結果見表6。從表6可以看出，1#焊縫組織中的M/A含量較2#高兩倍，且1#焊縫中的M/A較2#焊縫中的密集程度高。

表6 焊縫金相組織中M/A含量

Cr對提高焊縫的淬透傾向作用比較強，并可以提高脆性轉變溫度。Cr能降低γ→α轉變的相變溫度[3-4]，還能阻礙C擴散，故對推遲貝氏體轉變的作用很強。Cr可以顯著推遲珠光體轉變，使鋼容易獲得貝氏體組織，并增加M/A相的數量[5-6]。因此，在Cr含量較高的焊縫組織中，M/A島組織的比例更高，這點可以從圖3和圖4焊縫金屬組織中看出。這也是Cr含量較高的1#焊縫組織為貝氏體，且貝氏體中長島狀的碳化物較2#焊縫組織粗大，同時組織中鏈狀M/A含量較2#焊縫高的原因。而貝氏體組織中的長島狀碳化物粗大將不利于焊縫的沖擊韌性[7]。

M/A組元的數量、形態以及分布都會對焊接接頭的沖擊韌性造成影響[8]。M/A組元為脆相，在外載荷作用下，當位錯運動至M/A組元處，M/A組元會阻礙位錯運動而形成位錯塞積，從而產生應力集中，致使形成解理裂紋，M/A組元數量越多，越容易萌生裂紋[9]；尺寸大的M/A組元易達到Griffith裂紋的臨界尺寸，有利于裂紋的擴展[10-12]。因此，對于焊縫組織中存在M/A的焊縫，在沖擊取樣時，一旦焊縫缺口所開位置處M/A密集程度較高，在沖擊載荷的作用下，基體將迅速啟裂，且由于脆性M/A的存在，裂紋將迅速擴展，直至斷裂。這也可能是Cr含量高的1#焊縫沖擊功離散性較2#焊縫大的原因。

3 結 論

本研究采用兩種不同Cr含量的自保護藥芯焊絲對同一種鋼板進行焊接，對獲得的焊縫金屬進行了夏比沖擊性能檢測和金相組織分析，可以得到以下結果。

（1）自保護藥芯焊絲中的合金元素Cr含量不同，焊縫金屬組織不同，Cr含量高的1#焊縫金屬組織中貝氏體組織中的長島狀碳化物顆粒粗大，且組織中的鏈狀M/A含量和密集程度較高。

（2）自保護藥芯焊絲中的合金元素Cr含量不同，焊縫沖擊性能不同，Cr含量高的1#焊縫金屬較含Cr量低的焊縫金屬沖擊功離散性大。

（3）焊縫組織中存在M/A組元將不利于焊縫沖擊性能的穩定，M/A組元含量越高，焊縫沖擊功離散性越大。

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