X120級管線鋼P—GMAW接頭組織分析

司亞威+王宇+王向磊+趙明

摘 要：X120級管線鋼強度高，但由于大量合金元素的存在，其可焊性差并且容易出現焊接熱影響區軟化現象。針對上述問題，對X120管線鋼進行了脈沖熔化極氣體保護焊試驗，得到了成型良好的焊接接頭。分析焊縫區和熱影響區微觀組織發現，焊縫區組織形態主要為下貝氏體和馬氏體，且晶粒細小；熱影響區組織主要為粒狀貝氏體、板條貝氏體和長條狀的M-A組元，晶粒發生明顯長大，這是導致焊接接頭性能軟化的主要原因。

關鍵詞：X120管線鋼；脈沖熔化極氣體保護焊；顯微組織

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.042

1 X120管線鋼

與普通管線鋼相比，X120管線鋼中加入了B元素。B元素的加入可以提高可淬性，促進馬氏體和下貝氏體的形成。含有B元素的母材和熱影響區具有更高的韌性。合金元素Ti和Nb的加入，可以防止焊接熱影響去的過度退火。鋼板的焊接性主要取決于鋼板的碳當量，本次實驗所用X120鋼的Ceq值為0.53。其值高于普通的管線鋼，因此焊接性較差。

X120管線鋼的典型組織為下貝氏體加少量馬氏體，下貝氏體組織可以使管線鋼得到足夠的強度和韌性。研究表明，化學成分相近的下貝氏體和馬氏體，其強度也相近。并且X120管線鋼中的下貝氏體晶粒細小，這使得其具有更高的韌性。

2 X120鋼的焊接試驗及接頭組織性能分析

2.1 焊接工藝試驗

試驗所用X120鋼的厚度為16.0 mm，管徑為916 mm。針對管口與管口組對環縫焊接，采用窄間隙雙V型復合坡口設計。窄間隙坡口的設計使得焊接熔敷量大大減少，各焊層熔寬和熱影響區寬度相差較小，極大程度地提高了焊接效率、降低了焊接成本。根據焊接實驗結果可以看出，各焊層間熔合良好并未出現未熔合、未焊透現象，整個焊縫宏觀無裂紋、氣孔等缺陷。

試驗采用P-GMAW焊接工藝對X120鋼板環形焊縫進行五層焊接，包括根焊層、熱焊層、填充一層、填充二層和蓋面層，不同焊層在焊接時采用不同的焊接工藝參數。

2.2 焊接接頭組織分析

由于工件上不同位置與焊接熱源的距離不同，所以各點經歷不同的焊接熱循環。與普通熱處理相比，焊接熱過程是一個快速加熱和快速冷卻的過程，溫度梯度很大，因此焊縫上不同位置的點經歷的熱循環有很大的差別，這就導致了在焊縫上不同位置上產生形態不一的微觀組織。

焊接過程中，在電弧熱的作用下，X120管線鋼母材發生熔化，并且與填充金屬熔合，形成焊接熔池，由于焊接電弧的不斷移動，當電弧遠離時，焊接熔池凝固形成焊接接頭。從金相照片中可以看到下貝氏體組織和馬氏體組織。X120管線鋼焊縫區的馬氏體多呈板條狀，板條馬氏體的亞結構主要為高密度的位錯，位錯密度高達（0.3～0.9）×1012cm-2。低碳的位錯型馬氏體具有相當高的強度和良好的韌性。X120管線鋼焊縫區有大量下貝氏體，空間形態呈雙凸透鏡狀，與試樣磨面相交呈片狀或針葉狀。在光學顯微鏡下，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀，針與針之間呈一定的角度。在電子顯微鏡下可以觀察到下貝氏體中碳化物的形貌，它們細小彌散，呈粒狀或短條狀，沿著與鐵素體長軸55°～60°角取向平行分布。

研究表明，下貝氏體的強度與相同化學成分馬氏體相近，而細小交錯的下貝氏體組織又使得管線鋼同時具有較高的韌性。在五個焊層中，其微觀狀態略有不同，但都有馬氏體和下貝氏體。對照標尺可以看出，下貝氏體和馬氏體的晶粒尺寸普遍分布在10 μm～20 μm之間， 一般不會超過25 μm， 較小尺寸的組織形態避免了晶粒粗大而帶來焊縫區軟化的不良現象，保證了焊縫力學性能要求。馬氏體和下貝氏體的出現可以保證焊縫區的強度，而細小交錯的下貝氏體保證了焊縫具有足夠的韌性。

焊接過程是一個快速加熱、熔化、連續冷卻的過程，在焊縫周圍的母材由于受到電弧熱的作用會經歷升溫和降溫過程，這是一個特殊的熱處理過程，因此在焊縫周圍形成焊接熱影響區。在熱影響區的不同位置，由于離電弧的距離不同，所經歷的熱循環過程也不同，因此形成的組織形貌也不同。

X120級管線鋼熱影響區的組織形態主要有粒狀貝氏體（GB）、板條狀貝氏體（LB）和呈長條狀的馬氏體-奧氏體組元（M-A）。熱影響區晶粒尺寸明顯變大，一些粒狀貝氏體的邊界長度已經超過25 μm。粒狀貝氏體和板條貝氏體通常在稍高于上貝氏體轉變溫度（350 ℃～550 ℃）、中等冷卻速度條件下形成，兩者強度、延伸率相近，但板條貝氏體的沖擊功卻是粒狀貝氏體的5倍，因此過多的粒狀貝氏體將會導致管線鋼焊縫韌性降低。X120鋼較高的碳當量，使得組織中會析出較多數量M-A組元，且大部分M-A組元呈長條鏈狀分布，長度可以貫穿整個貝氏體晶粒。這都使得X120鋼焊接接頭出現一定程度的局部軟化現象。

3 結論

（1）采用窄間隙復合雙V型坡口設計，選用脈沖熔化極氣體保護工藝焊接X120級管線鋼，總共焊接5層，包括根焊層、熱焊層、填充一層、填充二層和蓋面層，能獲得成型良好的焊接接頭。

（2）焊縫區的主要組織形態為下貝氏體和馬氏體，且晶粒尺寸主要分布在10 μm～20 μm之間，一般不會超過25 μm。焊縫區組織細小，具有良好的力學性能，可以滿足焊縫的組織性能要求。

（3） 焊接熱影響區主要組織為粒狀貝氏體、板條貝氏體和長條狀M-A組元，晶粒尺寸出現明顯的長大，且大部分M-A組元呈長條狀分布，長度可以貫穿整個貝氏體晶粒。粗大的晶粒使熱影響區組織塑韌性嚴重下降，長條狀M-A組元也會使焊接熱影響區出現一定程度局部軟化現象。

參考文獻：

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基金項目：大學生創新創業訓練項目（20151156） 國家自然科學基金（51305461）