多絲直縫埋弧焊管焊縫形貌對熱影響區沖擊功的影響

黃衛鋒，肖光成

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

多絲直縫埋弧焊管焊縫形貌對熱影響區沖擊功的影響

黃衛鋒，肖光成

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

為了研究多絲直縫埋弧焊管焊縫形貌對熱影響區沖擊功的影響，分析了直縫埋弧焊管焊接接頭不同區域的組織和韌性分布規律，得出由于熱影響區沖擊試樣刻槽處焊縫宏觀形貌的不同，沖擊試樣刻槽所經過的焊縫、熱影響區（HAZ）及母材的比例各不相同，造成HAZ沖擊功結果不穩定。試驗結果表明，穩定的焊縫宏觀形貌，應從坡口準備、成型各工序、焊接工藝及操作等方面進行嚴格規范及標準化操作。

焊管；HAZ；沖擊功；焊縫形貌

Abstract:In order to study the influence of multi-wire SAWL pipe weld appearance on HAZ impact energy,in this article,it analyzed different zone microstructure and toughness distribution rule of SAWL pipe welded joint.Concluded that because of different weld macro appearance of HAZ specimen groove,the proportion of impact test specimen groove on weld,HAZ and base metal were not identical,caused unstable HAZ impact energy.The test results showed that to get the stable weld macro appearance,should strictly regulate and standardized operate from the groove preparation,forming process,welding technology,operation and other aspects.

Key words:welded pipe;HAZ;impact energy;weld appearance

沖擊韌性作為材料抵抗沖擊載荷的指標，對天然氣管道起裂和止裂有著重要的影響。為了保障管線工程的質量與安全，國內外油氣管道產品標準中均根據管線運行條件及可靠度要求，對管線鋼管沖擊韌性的指標有著嚴格要求。評價位置至少包括母材、焊縫和熱影響區[1]。

管線鋼在焊接熱過程中，鄰近焊縫的母材受焊接熱過程的作用而發生組織和性能的變化，這一區域稱為熱影響區（HAZ）。由于HAZ各部分距離熔合線遠近不同，所經受的熱循環相異，這就使得HAZ的顯微組織分布極不均勻，因而也就具有不同的性能[2]。

為了統一并準確評價管線鋼HAZ的沖擊韌性，API SPEC 5L、DNV OS F101等國際標準均規定了HAZ的刻槽位置[3-4]。按照API SPEC 5L標準，其熱影響區沖擊試驗獲得的韌性值，實際上是母材、焊縫和熱影響區性能的綜合反映，并未反映熱影響區最薄弱部分的韌性情況。根據API SPEC5L的要求進行刻槽，若焊縫宏觀形貌不同，沖擊試樣刻槽所經過的焊縫、HAZ及母材的比例各不相同，造成HAZ沖擊功差異巨大，甚至不合格。

通過針對性的試驗，研究了多絲雙面埋弧焊焊縫宏觀形貌對熱影響區沖擊功的影響。

1 焊接接頭組織結構特征及沖擊韌性分布規律

1.1 焊接接頭不同區域的組織結構特征

沖擊韌性可敏感反映出焊接接頭各區域微觀缺陷和顯微組織的變化。焊縫和 HAZ中的組織形成取決于化學成分、溫度的高低及冷卻速度。在焊接熱過程中，焊接接頭不同部位溫差懸殊，臨近焊縫的熱影響區各部位因距離焊縫遠近不同，所經受的熱循環不同，這就使得HAZ顯微組織分布極不均勻，因而也就具有不同的性能[2,5-6]。

以下以西氣東輸二線工程X70M鋼級、外徑1 016 mm、壁厚26.2 mm直縫埋弧焊管為例，闡述焊接接頭各區域的組織結構特征及其對沖擊韌性的影響。

埋弧焊焊接接頭由焊縫、熱影響區（熱影響區又分為粗晶區CGHAZ、細晶區FGHAZ、臨界熱影響區 ICHAZ）、母材 3部分構成[7-10]，如圖1所示，焊接接頭不同區域組織形貌如圖2所示。

圖1 焊接接頭宏觀照片

圖2 焊接接頭不同區域組織形貌

1.1.1 焊縫組織

加熱溫度最高在1 600℃以上，組織均勻，為針狀鐵素體（見圖 2（a）），其韌性主要取決于焊材、母材及焊接工藝。

1.1.2 熱影響區

（1）熔合線。為母材粗晶區與焊縫金屬交界處，最高加熱溫度在1 500℃左右，高溫停留時間最長，晶粒發生急劇長大（見圖2（b））。

（2）粗晶區。寬度約4 mm，最高加熱溫度在1 100～1 500℃，以B組織為主，高溫停留時間較長，晶粒粗大（見圖2（c）），晶粒度等級5級左右，晶粒尺寸為0.13 mm左右。隨著距熔合線遠近的不同，組織呈階梯狀分布（見圖2（e）），晶粒度等級8.5級，晶粒尺寸為0.02 mm左右，組織主要為B+F+P。粗晶區是焊接接頭韌性很差的區域，由于晶粒粗大，使得過冷奧氏體轉變的穩定性增加，非平衡的低溫轉變產物增多，因而其韌性損失最為嚴重，這將顯著降低鋼的沖擊韌性，減少裂紋擴展功和提高脆性轉變溫度，是焊接接頭中最薄弱的部分。

（3）細晶區。寬度約1 mm，最高加熱溫度在900～1 100℃，為正火組織，主要組織為F+ P+B，晶粒度等級10級，晶粒尺寸為0.006 mm左右（見圖2（d））， 韌性較好。

（4）部分組織轉變區。寬度約1 mm，最高加熱溫度700～900℃，組織為B+F+P（見圖2（f）），其韌性與母材基本相同。

1.1.3 母材

未受熱影響，組織為B+F+P（見圖2（g）），韌性最好。

1.2 焊接接頭的韌性分布

為了研究焊接接頭不同區域不同組織的韌性分布規律，按照API SPEC 5L及西氣東輸二線管道工程用 X70直縫埋弧焊管技術要求進行焊縫和HAZ系列溫度沖擊刻槽，熔合線沖擊按DNV OS F101標準進行刻槽。

焊接接頭系列溫度沖擊刻槽位置如圖3所示。焊縫沖擊試樣100%的槽口處于外焊縫正中心；HAZ沖擊試樣約30%的槽口處于HAZ粗晶區，約55%的槽口處于HAZ細晶區，約15%的槽口處于母材；熔合線沖擊試樣約50%的槽口處于焊縫區，約50%的槽口在HAZ粗晶區。焊接接頭不同區域系列溫度沖擊試驗結果如圖4所示。

圖3 焊接接頭系列溫度沖擊刻槽位置示意圖

圖4 焊接接頭不同區域系列溫度沖擊試驗結果

由圖4可見，焊縫、HAZ和熔合線3個位置刻槽中，熔合線位置因大部分區域處于HAZ粗晶區，因而在－10℃時沖擊功最低，－20℃便出現了拐點，說明在熔合線位置刻槽試樣對溫度變化最敏感，沖擊韌性最差。焊縫位置因槽口全部處于組織穩定的焊縫區域，因而在－60～－10℃均保持良好的沖擊韌性，沖擊功隨溫度的降低略有下降。HAZ位置由于粗晶區、細晶區和母材均在槽口內，且粗晶區占的比例相對較小，因而沖擊功較高，但由于貫穿區域太多，對每個試樣來說，各區所占比例均有差異，因此沖擊功相對焊縫顯得不穩定。由此可見，焊接接頭不同區域韌性的差異主要原因在于各區的組織差異，槽口粗晶區所占比例越大沖擊功越低。

2 不同宏觀形貌下的HAZ沖擊功

由于焊接接頭不同區域的韌性相差懸殊，而且熱影響區槽口位置貫串熔合線、熱影響區粗晶區、熱影響區細晶區、部分組織轉變區和母材，HAZ沖擊功取決于槽口所經過的各區域的比例。因此，按照標準進行刻槽，熱影響區各區域尺寸及形狀的差異便會影響HAZ沖擊功。

選取帶有縮頸的焊縫，研究不同外觀形貌焊縫的宏觀金相形狀與HAZ沖擊韌性的關系，取樣位置如圖5所示。在縮頸區取2個HAZ沖擊試樣，在非縮頸區取3個HAZ沖擊試樣。宏觀金相照片如圖6所示。

圖5 取樣位置示意圖

圖6 宏觀金相照片

按照API SPEC 5L及西氣東輸二線技術要求規定的刻槽方法進行刻槽，即在外焊縫去除不大于2 mm壁厚后，沿外焊縫熔合線與母材交界處開始豎直刻槽。各個試樣的熱影響區形狀、尺寸及刻槽位置如圖7所示。各試樣宏觀形貌尺寸及其沖擊功見表1。缺口中心距熔合線中心的距離與HAZ沖擊功的關系如圖8所示。由表1和圖8可以看出，21＃、22＃和23＃三個試樣缺口中心距熔合線中心的距離A平均為3.54 mm，沖擊功平均193 J；11＃和12＃兩個試樣缺口中心距熔合線中心的距離A分別為1.64 mm和1.32 mm，沖擊功分別為118 J和66 J。

圖7 各個試樣的熱影響區形狀、尺寸及刻槽位置

表1 宏觀形貌尺寸與沖擊功

圖8 缺口中心距熔合線中心的距離與HAZ沖擊功的關系

在熱輸入相同的情況下，5個試樣缺口中心HAZ的寬度和面積基本相等，其區別在于熔合線角度不同，角度越大，熔合線越直，沖擊缺口越貼近熔合線和HAZ粗晶區，而且缺口完全在HAZ區域，沖擊韌性越低。試樣21＃、22＃、23＃熔合線角度偏小，槽口處于HAZ粗晶區的長度小，且有平均2.5 mm的長度處于母材，因此沖擊韌性相對偏大。如果按照圖9所示刻槽，同樣是刻在熔合線，圖9（a）槽口有5 mm處于熔合線，顯然沖擊功要遠遠低于圖9（b）所示的刻槽位置。

圖9 兩種刻槽位置對比

3 影響焊縫宏觀形貌的因素及控制措施

坡口尺寸和焊接工藝參數設計是決定焊縫宏觀形貌的最主要因素。在坡口尺寸和焊接工藝參數確定的情況下，宏觀形貌與預焊后內外焊縫坡口的尺寸、焊接參數波動、焊偏、焊絲排列等因素關系密切。主要控制措施如下：

（1）針對同一規格，控制銑邊后的坡口尺寸公差，穩定成型和預焊的工序質量，從而穩定預焊后的內外坡口角度和寬度，為內外焊創造均勻穩定的焊接條件，避免因坡口差異造成的焊縫宏觀形貌差異。

（2）在坡口尺寸穩定的前提下，優化送絲工藝，穩定送絲速度，避免同一根鋼管上因送絲速度的差異造成的焊縫形貌差異。

（3）標準化內外焊焊前、焊中、焊后的相關操作，避免焊偏、焊歪。

4 結論

（1）在焊接過程中，臨近焊縫的HAZ各部位因距離焊縫遠近不同，所經受的熱循環差異巨大，客觀上決定了焊接接頭不同區域的組織和晶粒尺寸的不同，從而造成不同區域沖擊韌性相差懸殊。

（2）管線工程規范所規定的HAZ沖擊韌性，實際上是母材、焊縫和熱影響區性能的綜合反映。在熱輸入相同的情況下，焊縫宏觀形貌不同，沖擊試樣刻槽所經過的焊縫、HAZ各區及母材的比例各不相同，造成HAZ沖擊功差異；若焊縫宏觀形貌不規則，便會造成HAZ沖擊功不穩定。

（3）在焊接工藝相同的條件下，應從坡口準備、成型各工序、焊接工藝及操作等方面進行規范，并嚴格按要求操作，方可獲得穩定的焊縫宏觀形貌，進而獲得穩定的HAZ沖擊韌性。

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Influence of Multi-wire SAWL Pipe Weld Appearance on HAZ Impact Energy

HUANG Weifeng，XIAO Guangcheng
（Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China）

TE973.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.004

2016－11－17

編輯：李紅麗

黃衛鋒（1979—），男，工程師，主要從事大直徑直縫埋弧焊管產品的研發工作。