熱輸入對X70管線鋼焊接熱影響區組織和韌性的影響

張忠發，朱 亮，蔡淑娟

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

熱輸入對X70管線鋼焊接熱影響區組織和韌性的影響

張忠發，朱 亮，蔡淑娟

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

管線鋼焊接突出的問題是熱影響區晶粒粗化會導致接頭韌性下降。利用熱模擬技術和超窄間隙焊接方法對X70管線鋼進行試驗，得到了不同熱輸入下焊接熱影響區粗晶區的組織，并測試了其韌性。結果表明，在室溫下，當熱輸入低于8 kJ/cm時，以板條貝氏體和少量針狀鐵素體組織為主，原奧氏體晶粒尺寸小于48 μm，韌性與母材相當；高于8 kJ/cm時，隨著熱輸入增加，板條貝氏體和針狀鐵素體逐漸減少，原奧氏體晶粒逐漸長大，韌性開始急劇下降。分析認為，對于這類C含量低的管線鋼，板條貝氏體的形成并不會導致韌性降低，原奧氏體晶粒不斷長大才是造成韌性下降的主要原因。采用超窄間隙焊接方法，可以有效縮短高溫停留時間，防止原奧氏體晶粒長大，從而避免焊接熱影響區粗晶區的韌性下降。

熱模擬；超窄間隙焊接；焊接熱輸入；熱影響區粗晶區

0 前言

管線鋼是一種典型低碳微合金控軋鋼（TMCP），由于其組織為細小鐵素體或者貝氏體，且晶粒尺寸可限制在5 μm以下[1]，使其具有較高的低溫韌性和優良的焊接性能。但是該類鋼在焊接過程中，熱影響區受熱輸入量的影響，晶粒極易粗化，會不可避免地產生焊接熱影響區局部脆性區，造成韌性降低。

目前有關焊接熱輸入對管線鋼熱影響區韌性的影響，通常是基于埋弧焊工藝，采用熱模擬試驗方法進行研究，并得到了一些規律，普遍認為高熱輸入會導致熱影響區低溫沖擊韌性明顯下降。但導致熱影響區韌性下降的具體熱輸入值，在各研究中有所不同，如有研究認為[2]，當熱輸入高于15kJ/cm時，隨熱輸入的增加，韌性急劇下降；而有的研究則認為[3]，韌性在高于30 kJ/cm時開始急劇下降；還有研究認為[4]，當高于40 kJ/cm時，韌性才開始急劇下降。另外，以上試驗均沒有對熱輸入低于10 kJ/cm下的韌性進行研究。對于熱輸入改變引起韌性下降的原因，一般認為，晶粒粗化是造成韌性下降的原因[5]。也有研究認為[6]，顯微組織類型的差異也會引起韌性下降。其中針狀鐵素體有利于韌性提高，而貝氏體化鐵素體粗化，M/A組元增多會造成韌性下降。可見，有關熱輸入對熱影響區組織和韌性影響的認識并不統一。本研究采用熱模擬技術和線能量低于8 kJ/cm的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法對X70管線鋼進行試驗，系統研究熱輸入對粗晶區的組織和韌性的影響，并探討將超窄間隙焊接方法應用于該類鋼焊接的可行性。

1 試驗材料及方法

試驗材料為國內某鋼廠生產的低碳微合金控軋X70管線鋼，其主要化學成分為：w（C）=0.08%、w（Si）=0.34%、w（S）=0.002%、w（Mn）=1.5%、w（P）= 0.2%和w（V）=0.015%。采用兩種方法對X70管線鋼進行試驗：一種是熱模擬試驗方法，長度方向沿板材軋制方向橫向取10×10mm試樣，在Thermorestorw型熱模擬機上模擬焊接熱影響區粗晶區，峰值溫度1 350℃，加熱速度100℃·s-1。根據焊接熱輸入和板厚制定熱模擬試驗參數[7]，見表1。

表1 焊接熱影響區粗晶區熱模擬參數Tab.1 Thermal simulation parameters for CGHAZ

另一種是超窄間隙焊接試驗方法。焊劑帶約束電弧的超窄間隙焊是一種熔化極電弧焊方法，其原理是將特制焊劑帶置于坡口兩側壁，利用焊劑帶作為約束體來限制電弧，進而有效控制電弧在坡口中的加熱區域，使側壁根部熔合良好[8]。試驗采用平特性電源，直流反接。使用直徑1.6 mm的ER50-6低碳鋼焊絲，采用I型坡口，間隙寬度約4 mm。焊劑帶厚度0.7～0.8 mm，成分主要為大理石和螢石。利用專用超窄間隙焊槍[9]，并將焊接熱輸入控制在8 kJ/cm以下，對試板進行焊接，所得焊接接頭的焊縫表面和焊縫橫截面如圖1所示。熱影響區寬度約1.1 mm，整個焊接過程由根焊、填充焊、蓋面焊組成，共5層焊道，其中根焊和蓋面焊各一層。

圖1 焊縫形貌Fig.1 Appearance of weld metal

根據GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》標準，在CIEM-30D-CPC沖擊試驗機上進行沖擊試驗。其中，對于超窄間隙焊試樣，V型缺口接近熔合線，如圖1b虛線所示位置。金相試樣經研磨和拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在掃描電鏡（SEM）下進行顯微組織分析。

2 試驗結果

2.1 沖擊韌性

將不同熱輸入下的熱模擬試樣制備成沖擊試樣，并測試其室溫下的沖擊功，得到熱輸入與沖擊功的關系曲線，如圖2所示，并將一組母材的沖擊功和一組超窄間隙焊接試樣的沖擊功作為對比。對于熱模擬試樣，當熱輸入低于8 kJ/cm時，沖擊功與母材相當；高于8 kJ/cm時，隨著熱輸入增加，沖擊功開始急劇下降。而對于超窄間隙焊接試樣，其對應熱輸入為5～8 kJ/cm，雖然其沖擊功比對應熱輸入下的熱模擬試樣的沖擊功略低，但從斷口形貌看，兩者均為全延性斷口，即屬于延性斷裂。而當熱輸入增大到10 kJ/cm時，斷口纖維面積率僅為40%，處于塑-脆轉變范圍。

圖2 室溫下熱輸入與沖擊功的關系曲線Fig.2 Relationship between heat input and impact energy at room temperature

為了進一步研究試樣韌脆轉變性能，測試了其在-60℃～20℃下的沖擊功，如圖3所示。對于超窄間隙焊接試樣，在高于-20℃時沖擊功不再受溫度影響，處于上平臺，上平臺沖擊功192 J，-60℃時達到韌脆轉變溫度。而熱輸入10 kJ/cm和35 kJ/cm時，韌脆轉變溫度均高于20℃，低于-20℃時進入下平臺。

圖3 沖擊功與溫度的關系曲線Fig.3 Relationship between heat input and temperatures

2.2顯微組織

圖4為母材及不同熱輸入下熱模擬試樣的顯微組織。母材原始組織以針狀鐵素體為主，在經歷焊接熱循環后，從組織類型來看，主要為板條貝氏體、粒狀貝氏體和貝氏體內的M/A組元，原奧氏體晶界清晰。隨著熱輸入的增加，粒狀貝氏體含量增加，板條束貝氏體減少，M/A組元由條狀逐漸變為粒狀；從原奧氏體晶界尺寸來看，隨著熱輸入的增加，高溫停留時間增加，晶粒也隨之長大。當熱輸入從8 kJ/cm增加至35 kJ/cm時，晶粒尺寸從48 μm增加到69 μm。

圖4 母材及不同熱輸入下熱模擬試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of base metal and thermal simulation specimens under different welding heat inputs

圖5為超窄間隙焊接接頭顯微組織，其對應的熱輸入為7 kJ/cm。在這種低熱輸入焊接方法下，主要為板條貝氏體組織，這與熱輸入8 kJ/cm時的熱模擬試樣一致。不同的是，采用超窄間隙焊接還可以得到少量針狀鐵素體組織，原奧氏晶粒尺寸約為42 μm。

圖5 超窄間隙焊接接頭顯微組織Fig.5 Microstructure of ultra-narrow gap welding joint

3 討論

X70管線鋼為典型的針狀鐵素體鋼，針狀鐵素體具有多位相析出形態，彼此交錯分布，可有效地阻礙裂紋的擴展，從而獲得高韌性[3，10]。

由試驗結果可知，將熱輸入控制在8 kJ/cm以內時，焊接熱影響區粗晶區的組織主要為板條貝氏體和少量針狀鐵素體，原奧氏體晶粒尺寸小于48 μm，其韌性與母材相當。從組織類型來看，一般認為板條貝氏體的形成會使碳鋼的韌性惡化[11]，而在低熱輸入下，焊接熱影響區粗晶區存在的板條貝氏體，卻未使其韌性明顯降低（見圖2與圖4）。這說明板條貝氏體的形成并不會降低這類管線鋼的韌性。這可能是由于該類鋼C含量低和板條貝氏體束尺寸小；從原奧氏體晶界尺寸來看，奧氏體晶粒尺寸與韌性和熱輸入之間的關系，如圖6所示。可以看出，熱輸入越低，奧氏體晶粒尺寸就越小，沖擊功就越高。而當熱輸入從8 kJ/cm增加至35 kJ/cm時，晶粒尺寸從48 μm增加至68 μm，沖擊功則從280.7 J急劇下降至58 J。這表明原奧氏體晶粒不斷長大是造成韌性下降的主要原因。這種現象與X80管線鋼研究結果一致[12]。因此，對于該類鋼，在焊接時要重點控制晶粒尺度。

圖6 奧氏體晶粒尺寸與沖擊功和熱輸入之間的關系Fig.6 Relationship among the original austenite grain size，heat input and impact energy

通過掃描室溫試樣的沖擊斷口，由圖7可以看出，熱輸入為10 kJ/cm和35 kJ/cm時，解理臺階尺寸分別約為68 μm和118 μm。對比圖6可知，解理臺階的大小與原奧氏體晶粒尺寸密切相關，晶粒尺寸越大，斷裂時解離臺階越大，韌性越低。這進一步驗證了奧氏體晶粒尺寸決定韌性的說法。

常規焊接方法如制管埋弧焊，對應線能量一般大于20 kJ/cm[3]，在此熱輸入下，熱影響區韌性會因晶粒粗化而明顯下降。而采用坡口間隙為4 mm的超窄間隙焊接方法，其對應的熱輸入為5～8kJ/cm，組織為板條貝氏體和少量針狀鐵素體。根據焊接熱循環參數計算公式[7]，可以求出900℃以上高溫停留時間小于3 s。由于高溫停留時間短，可防止原奧氏體晶粒長大，使其韌脆轉變溫度低至-60℃。此外，由于超窄間隙焊接方法的焊接電流和電壓不低，通常為260～270 A和23～24 V，所以焊接線能量低的原因是其焊接速度快，焊接效率并不會降低。因此，對于這類管線鋼，采用超窄間隙焊進行焊接是一種相對理想的方法。

4 結論

（1）焊接熱影響區粗晶區的組織主要為板條貝氏體、粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，隨著熱輸入增加，板條束貝氏體和針狀鐵素體減少，粒狀貝氏體增加，原奧氏體晶粒逐漸長大，其韌性降低。

（2）當線能量低于8 kJ/cm時，可有效控制晶粒尺寸，從而避免焊接熱影響區粗晶區韌性降低。

（3）采用超窄間隙焊接方法，既可縮短熱影響區的高溫停留時間，防止原奧氏體晶粒長大，又不會降低焊接效率，適用于這類管線鋼的焊接。

圖7 室溫沖擊斷口形貌Fig.7 Impact fracture appearance at room temperature

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Influence of heat input on the microstructure and properties of welding heat affected zone of X70 pipeline steel

ZHANG Zhongfa，ZHU Liang，CAI Shujuan
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metal，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The outstanding problem of welding pipeline steel is the toughness of welded joint will be decreased by grain coarsening of heat affected zone.The microstructures of X70 pipeline steel coarse-grained heat affect zone(CGHAZ)under different welding heat inputs are obtained by using thermal simulation technique and the ultra-narrow gap welding method，and the toughness of CGHAZ is tested.The results show that under room temperature，the microstructure is lath bainite and acicular ferrite，the original austenite grain size is lower than 48 μm and the impact energy is equal to base metal when the welding heat input is less than 8 kJ/cm；When the welding heat input is above 8 kJ/cm，the amount of lath bainite and acicular ferrite decreases gradually，the original austenite grain size grows gradually and the impact energy decreases drastically with the increase of heat input.Through analysis，it is concluded that the lath bainite can not make the toughness reduce and the growth of original austenite grain is the main reason for the decrease of the toughness for this type of low C content of pipeline steel.The narrow-gap welding can decrease the holding time in high temperature and prevent the original austenite grain grow，so it can avoid the decrease of the toughness of CGHAZ.

thermal simulation；ultra-narrow gap welding；welding heat input；coarse-grained heat affect zone

TG249.2

：A

1001-2303（2015）09-0029-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.07

2015-03-11

國家自然科學基金資助項目（51264026）

張忠發（1989—），男，甘肅張掖人，碩士，主要從事焊接接頭強度的研究工作。