X100管線鋼的焊接冷裂紋敏感性分析

耿都都，嚴春妍，納學洋，曲 揚，楊順貞

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

0 前言

隨著各個國家對石油、天然氣需求量的增加，促進了管線工程的快速發展，相應地增加了管線鋼的需求量。世界石油工業的發展及冶金技術的進步推動了管線鋼的快速發展。X100管線鋼是一種控軋控冷的低碳微合金化高強鋼，在具備高強度的同時，兼有良好的塑韌性。但是在焊接過程中，焊接粗晶熱影響區是焊接接頭最薄弱的地方之一，因為粗晶區組織粗大，晶界容易出現淬硬組織，且容易造成應力集中，故冷裂紋在此處容易萌生并擴展，是造成這類管線鋼斷裂的嚴重缺陷之一。

在此研究了X100管線鋼的焊接冷裂紋敏感性，確定了X100管線鋼焊接時能防止冷裂紋的最佳預熱溫度范圍。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗使用X100管線鋼，板厚18.4 mm，供貨狀態為熱軋態。X100鋼的主要化學成分和力學性能如表1、表2所示，X100鋼的顯微組織如圖1所示。

表1 X100鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of X100 pipeline steel%

表2 X100鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of X100 pipeline steel

圖1 X100鋼的顯微組織Fig.1 Microscopic structure of X100 pipeline steel

1.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗

斜Y型坡口焊接裂紋試驗是一種較苛刻的焊接冷裂紋試驗方法，試驗方法簡便，是國際上采用較多的抗裂性試驗方法之一，亦稱“小鐵研”試驗。按照GB 4675.1-84《焊接性試驗斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的規定進行試驗。通過調整預熱溫度來研究預熱對X100管線鋼冷裂紋敏感性的影響。焊接試驗采用焊條電弧焊，焊接材料為低氫纖維素型焊條E9010-G，焊接熱輸入15 kJ/cm。

斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件加工如圖2所示。為防止組織發生變化，焊接坡口采用機械方法加工。試板兩端的拘束焊縫采用雙面焊，焊接時注意防止角變形和未焊透。保證中間待焊試樣焊縫處有2 mm間隙。本試驗在室溫和四組預熱溫度下進行，共五組。焊接時的環境溫度為25℃，相對濕度為45%，具體焊接工藝參數如表3所示。

圖2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件加工Fig.2 Processing sample of Y-slit type cracking test

焊后靜置48 h后截取試樣進行裂紋檢測，用線切割方法在試驗焊縫上等分截取4~6塊試樣，檢查5個橫斷面上的裂紋深度，最后計算出斷面裂紋率Cs。裂紋檢測結果如表4所示。

表3 斜Y型坡口焊接試驗焊接工藝參數Tab.3 Processing parameters of Y-slit type cracking test

表4 斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果Tab.4 Experimental Y-slit type cracking test

由表4可知，在不同的預熱溫度下試驗焊縫的表面裂紋率均為0，而且僅在未預熱的情況下出現了少量的斷面裂紋?？梢缘贸觯弘m然X100管線鋼的強度很高，但其冷裂敏感性較低，適當地提高預熱溫度能夠有效降低裂紋率。

1.3 焊接熱影響區最高硬度試驗

硬度是衡量材料軟硬程度的物理量，而硬度值是表征強度、韌性和形變強化等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標[2]。金屬材料的硬度值與強度之間具有近似的對應關系。一般硬度值越大，強度越高。根據焊接熱影響區最高硬度可以相應地評價材料的冷裂紋敏感性和淬硬傾向。按照GB 4675.5-84《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》的規定進行試驗。

焊接熱影響區最高硬度試驗的試件形狀示意如圖3所示。

焊接試驗是在環境溫度25℃，相對濕度為45%，焊接電壓24 V，焊接電流175 A，焊接速度16 cm/min的條件下進行的。焊后不進行任何焊后熱處理，自然冷卻12 h后，取樣、磨制、腐蝕。然后測量并統計出不同預熱溫度下HAZ的最高硬度，結果如圖4和表5所示。

圖3 焊接熱影響區最高硬度試驗的試件形狀Fig.3 Shape of sample of maximum hardness test in HAZ

圖4 Hmax隨預熱溫度的變化曲線Fig.4 Curve of preheating temperature and Hmax

表5 焊接熱影響區最高硬度試驗結果Tab.5 Experimental results of maximum hardness test in HAZ

分析圖4和表5可知，Hmax隨著預熱溫度的升高先減小后增大。文獻[3]表明，為了保證X100管線鋼具有較好的抗裂性能，其焊接熱影響區最高硬度應低于350HV。因此在實際的焊接操作中，適當預熱且避免預熱溫度過高即可防止X100管線鋼冷裂紋的產生。

2 分析和討論

大量的文獻表明，CGHAZ是焊接接頭最薄弱的地帶之一，粗晶區的組織性能對研究焊接接頭具有重要意義[4]。在斜Y型坡口焊接裂紋試驗中，不同預熱溫度下焊接粗晶熱影響區的組織如圖5所示。

圖5 不同預熱溫度下焊接粗晶熱影響區的組織Fig.5 Microstructure of CGHAZ in different preheating temperature

未預熱時的CGHAZ組織如圖5a所示。由于冷卻速度大，組織形態多為從A晶界向內平行生長的板條，并且在A晶界和板條間可見較大的塊狀或條狀M-A組元，此時還有一定數量的板條馬氏體，故淬硬性較大，出現了少量的斷面裂紋。

當采用一定的溫度進行預熱時，隨預熱溫度升高，焊接接頭冷卻速率減小，組織淬硬性下降，粒狀貝氏體逐漸形成、增多，并且伴有細小的針狀鐵素體。組織特征為平行的板條，板條間有小角度晶界，M-A組元呈針狀或者薄膜狀分布在板條束界和板條晶界之間，組織硬度下降，故冷裂紋敏感性減小。

當預熱溫度過高時（見圖5e），粗晶區晶粒粗大，使得奧氏體轉變的穩定性增加、非平衡的低溫轉變產物增多，因而冷卻后粗晶區形成少量上貝氏體。由于上貝氏體條間的碳化物易于萌生裂紋或成為裂紋擴展的通道，致使材料的韌性降低。又因為冷卻速度的降低，使粗晶區冷卻后出現少量塊狀鐵素體和珠光體，這種鐵素體+珠光體組織部分代替了針狀鐵素體，進一步降低了粗晶區韌性[5]。此時還可見粗大的呈塊狀或條狀的M-A組元，故粗晶區的硬度很高。這種低韌性高硬度的組織將會增加冷裂傾向，故應盡量選擇適宜的預熱溫度，避免高溫預熱。

3 結論

（1）斜Y型坡口焊接裂紋試驗和焊接熱影響區最高硬度試驗的結果表明，X100管線鋼冷裂紋敏感性并不是很大。

（2）隨著預熱溫度升高，熱影響區最高硬度Hmax不斷下降；當預熱溫度高到一定值后，Hmax又會上升，所以在實際焊接操作中，采用適當的溫度進行預熱能夠防止X100管線鋼焊接冷裂紋的產生。

[1]高惠臨.管道工程面臨的挑戰與管線鋼的發展趨勢[J].焊管，2010，33（10）：5-17.

[2]石德珂.材料科學基礎[M].西安：機械工業出版社，2003.

[3]張君，牛輝.X100管線鋼冷裂敏感性研究[J].焊管，2012（11）：22-26.

[4]張驍勇，高惠臨，莊傳晶，等.焊接熱輸入對X100管線鋼粗晶區組織及性能的影響[J].焊接學報，2010，31（3）：29-32.

[5]李為衛.預熱溫度對X80管線鋼焊接熱影響區組織性能的影響[J].石油工程建設，2005，31（4）：10-12.