X80鋼焊接熱影響區脆化軟化現象熱模擬試驗研究

趙 波，李國鵬，王 旭，付彥宏，劉 濤，張 紅，李 濤

（1.中國石油集團渤海裝備研究院，河北 青縣062658；2.渤海裝備國家企業技術中心鋼管研發分中心，河北 青縣062658）

X80鋼焊接熱影響區脆化軟化現象熱模擬試驗研究

趙 波1,2，李國鵬1,2，王 旭1,2，付彥宏1,2，劉 濤1,2，張 紅1,2，李 濤1,2

（1.中國石油集團渤海裝備研究院，河北 青縣062658；2.渤海裝備國家企業技術中心鋼管研發分中心，河北 青縣062658）

為了研究X80管線鋼焊接熱影響區（HAZ）組織及力學性能隨冷卻速度和焊接線能量的變化規律，采用熱模擬試驗的方法，對特定化學成分和原始金相組織的26.4mm厚X80管線鋼進行了熱模擬試驗。試驗結果表明：通過采用加速冷卻或高熔敷率低線能量焊接工藝，可以適當提高熱影響區冷卻速度，達到細化熱影響區晶粒、改善或消除熱影響區脆化軟化的目的，有效改善了X80管線鋼熱影響區強韌匹配，提高了產品合格率。

焊接；X80管線鋼；脆化軟化；加速冷卻；低線能量

隨著油氣管道的高壓、長距離、大直徑輸送技術的發展，對管線鋼的強度、韌性和焊接性提出了愈來愈高的要求，X80管線鋼現已逐漸成為輸氣管道的主導鋼材，大規模地應用于管道建設[1]。目前X80高性能管線鋼的生產技術日益成熟，已建成世界工程量最大的X80西氣東輸二線。

如今在高鋼級焊管的生產中出現質量問題最多的是焊縫熱影響區（HAZ）脆化、軟化等[2-3]。焊管焊接熱影響區的性能關系到焊管質量和管道運行安全。為了提高焊管的焊接質量和成品率，根據控軋控冷工藝、加速冷卻工藝對管線鋼母材金相組織力學性能的影響規律[4-9]，提出以焊接加速冷卻和高熔敷率低線能量[10-15]兩項新型焊接工藝來改善焊接熱影響區強韌性的方法。采用熱模擬試驗技術對特定化學成分和原始金相組織的X80管線鋼焊接熱影響區組織及力學性能隨冷卻速度和焊接線能量的變化規律進行了試驗研究。

1 試驗材料及方法

試驗材料為壁厚26.4mm的X80鋼，其主要化學成分見表1。X80鋼板的原始金相組織如圖1所示。由圖1可見，其主要組織為細化針狀鐵素體。利用Gleeble－3180熱模擬試驗機分別進行了熱影響區軟化和脆化的熱模擬試驗。

表1 試驗用X80鋼的化學成分 %

圖1 X80鋼板的金相組織

熱影響區軟化熱模擬試驗，拉伸熱模擬試樣沿鋼板橫向截取，加工成Φ10mm×100mm的圓棒樣。首先分別進行800℃、900℃和1 000℃三種峰值溫度時，正常多絲埋弧焊53 kJ/cm焊接線能量時4.4℃/s冷速下材料強度變化的熱模擬試驗，找出焊接接頭中軟化最嚴重區域的峰值溫度，然后在該峰值溫度下，在冷卻速度分別為10℃/s、15℃/s和20℃/s條件下進行熱模擬試驗，利用拉伸試驗機進行材料熱模擬拉伸試樣的抗拉強度、屈服強度的測定，找出該材料軟化區域強度隨冷卻速度的變化規律；以正常多絲埋弧焊一半焊接線能量27 kJ/cm，進行1 000℃峰值溫度下，材料的強度值測定，找出熱區軟化程度與線能量的關系。

熱影響區脆化熱模擬試驗，沖擊熱模擬試樣也沿鋼板橫向截取，加工成10mm×10mm×55mm的矩形試樣。在粗晶區峰值溫度1 350℃條件下，分別進行正常冷速4.4℃/s，以及10℃/s、15℃/s和20℃/s加速冷卻下的粗晶區沖擊試樣的熱模擬試驗，利用沖擊試驗機進行－10℃溫度下的沖擊韌性測定，找出該材料粗晶脆化區域韌性隨冷卻速度的變化規律；以正常多絲埋弧焊一半焊接線能量27 kJ/cm，進行1 350℃峰值溫度下，材料的沖擊韌性測定，找出熱區脆化程度與線能量的關系。

2 加速冷卻和焊接線能量對強度的影響

加速冷卻和焊接線能量對熱影響區強度的影響見表2。從表2可以看出，該X80材料經過焊接線能量53 kJ/cm的熱循環后，焊接熱影響區的細晶區出現了明顯的軟化現象，該鋼軟化最嚴重的位置出現在細晶區峰值溫度1 000℃區域，該處屈服強度比母材降低94 MPa，抗拉強度比母材降低44 MPa。

表2 加速冷卻和焊接線能量對熱影響區強度的影響

采用加速冷卻工藝和高熔敷率低線能量焊接工藝后，該鋼熱影響區細晶區的軟化問題得到了顯著改善，幾乎可以達到消除軟化的效果。當采用加速冷卻工藝，將正常焊接4.4℃/s的空冷速度分別提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s時，細晶區的屈服強度和抗拉強度整體呈現上升的趨勢，抗拉強度可以恢復到母材原始抗拉強度，屈服強度比焊態空冷時提高了43～54 MPa。

當采用高熔敷率低線能量焊接工藝后，利用提高單位焊接電流焊絲熔化速度的方法，提高焊接速度，將焊接線能量從53 kJ/cm降至27 kJ/cm，可以看出細晶區屈服強度比焊態空冷時提高了83 MPa，比原始母材僅降低了11 MPa，細晶區抗拉強度比焊態空冷時提高了69 MPa，比原始母材提高了25 MPa。也就是說采用高熔敷率低線能量焊接也可以達到了控制熱影響區軟化的目的。

3 加速冷卻和焊接線能量對韌性的影響

加速冷卻和焊接線能量對粗晶區韌性的影響見表3。從表3可看出，該鋼在經歷53 kJ/cm的焊接熱循環后，粗晶區出現了明顯的脆化現象，-10℃溫度條件下沖擊功平均只有28 J。采用加速冷卻工藝將熱影響區冷速從4.4℃/s分別提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s時，粗晶區沖擊功分別增加到344 J、360 J和222 J，粗晶區脆化得到了根本性改善。采用高熔敷率、低線能量焊接工藝后，焊接線能量從53 kJ/cm降低到27 kJ/cm，粗晶區沖擊功平均值增加到164 J，可見采用低線能量焊接工藝可以達到改善粗晶區韌性的目的。

表3 加速冷卻和焊接線能量對粗晶區韌性的影響

4 加速冷卻和焊接線能量對硬度的影響

加速冷卻和焊接線能量對熱影響區硬度的影響見表4。從表4可以看出，整體上來說，焊態、加速冷卻、低線能量焊接的熱區硬度變化不大，采用加速冷卻、高熔敷率低線能量焊接工藝后的粗晶區硬度都略有提高，但基本都滿足標準要求。只有采用27 kJ/cm低線能量焊接時，粗晶區硬度為286 HV10，超過標準要求值280 HV10，可以通過適當調整線能量杜絕硬度超標問題。

表4 加速冷卻和焊接線能量對熱影響區硬度的影響

5 加速冷卻和線能量對金相組織的影響

加速冷卻和焊接線能量對熱影響區金相組織和晶粒度的影響見表5。從表5可看出，采用加速冷卻、高熔敷率低線能量兩種焊接工藝后，粗晶區均得到了顯著的細化，細晶區晶粒度變化不大。

表5 加速冷卻和焊接線能量對熱影響區金相和晶粒度的影響

6 結 論

通過對X80鋼熱模擬試驗可以得出以下結論：

（1）該X80鋼級大線能量多絲埋弧焊熱影響區存在較嚴重的脆化、軟化問題。

（2）采用加速冷卻、高熔敷率低線能量焊接兩種新焊接工藝，可以細化熱影響區晶粒，對于改善X80鋼熱影響區粗晶區脆化和細晶區軟化問題是有效的，甚至可以消除熱區的脆化、軟化問題。

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Thermal Simulation Experiments Research on Heat-affected Zone Embrittlement and Softening of X80 Pipeline Steel

ZHAO Bo1,2，LI Guopeng1,2，WANG Xu1,2，FU Yanhong1,2，LIU Tao1,2，ZHANG Hong1,2，LI Tao1,2
（1.CNPC Bohai Equipment Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China；2.Bohai Equipment Steel Pipe Research Branch Center of State Enterprise Technology Development Centers,Qingxian 062658,Hebei,China）

In order to study X80 pipeline steel HAZ structure and mechanical properties changing rules along with cooling rate and welding heat input changing,the thermal simulation test was carried out for 26.4mm thickness X80 pipeline steel,which possesses specific chemical composition and original metallographic structure.The results showed that using the accelerated cooling or low heat input welding technology,the cooling rate can be increased properly，the grain of HAZ is refined,the embrittlement and softening of the welding HAZ is improved or even eliminated,which can effectively improve the strength and toughness of X80 pipeline steel,and increase the qualified rate of products.

welding;X80 pipeline steel;embrittlement and softening;accelerated cooling;low heat input

TG407 文獻標志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.004

趙 波（1975—），男，高級工程師，局級技術專家，現在中國石油集團渤海裝備研究院輸送裝備分院、渤海裝備國家企業技術中心鋼管研發分中心工作，主要從事管線鋼材料、焊管管件焊接工藝及裝備研究工作。

2015-01-15

羅 剛