高鋼級管線鋼摩擦焊焊接接頭組織與硬度分析

荊 瑞，張驍勇，景 科

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

高鋼級管線鋼摩擦焊焊接接頭組織與硬度分析

荊 瑞，張驍勇，景 科

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

為了提高高鋼級管線鋼焊縫的沖擊韌性，采用連續驅動摩擦焊對X80管線鋼進行了焊接，并對其焊接接頭的組織及硬度進行了分析和檢測。結果表明，X80管線鋼連續驅動摩擦焊焊接接頭焊縫區組織為鐵素體和粒狀貝氏體，熱影響區的組織由原始的針狀鐵素體轉變為先共析鐵素體、針狀鐵素體及粒狀貝氏體。焊接接頭的硬度高于母材，其中焊縫區域硬度最高，達到了247.4HV10，其次是熱影響區，母材的硬度最低，且在焊縫兩側，硬度值呈對稱分布。

焊接；X80管線鋼；連續驅動摩擦焊；顯微組織；硬度

Abstract:In order to increase the weld impact toughness of high grade pipeline steel,it adopted continuous drive friction welding to weld X80 pipeline steel,and carried out analysis and detection for the microstructure and hardness.The results showed that the microstructure of weld zone of X80 pipeline steel welding joint is acicular ferrite(AF)and granular bainite.The microstructure of heat affected zone is proeutectoid ferrite(PF),acicular ferrite and granular bainite transformed by original acicular ferrite.The hardness of welding joint is higher than that of parent metal,which the weld zone hardness is the highest,reaches 247.4HV10,followed by the heat affected zone,and the hardness parent metal is the lowest.Besides,on the both sides of weld zone,the hardness distribution is symmetrical.

Key words:welding;X80 pipeline steel;continuous drive friction welding;microstructure;hardness

隨著經濟的迅速發展，對能源的需求日益增加，油氣管線作為石油、天然氣等流體最經濟、便捷的一種運輸方式得到了越來越多的使用。但油氣管線面臨著滑坡、泥石流、大落差地段、移動地層、洋流等較惡劣的服役環境，這就要求管線鋼不僅要具有較高強度，而且要有良好的低溫沖擊韌性[1-4]。目前，在高強度、高韌性鋼管的焊接過程中，如何在保證焊縫強度和焊接工藝性的前提下提高焊縫沖擊韌性是制約這種管線鋼管發展的瓶頸。本研究采用連續驅動摩擦焊接方法，研究了X80管線鋼焊接接頭的力學性能，為提高焊接接頭強韌性提供了理論基礎。

1 試驗材料及方法

試驗選用X80管線鋼，將試驗材料加工成Φ16 mm×200 mm的圓棒狀試樣，采用連續驅動摩擦焊接工藝進行焊接，焊接工藝參數如表1所示。

表1 摩擦焊接工藝參數

焊前打磨試樣，去除油污。焊接采用漢中雙戟摩擦焊接制造技術有限責任公司提供的C320型連續驅動摩擦焊機，焊接所用的套筒如圖1所示。焊接完成后將焊件加工成所需形狀。用405M型光學顯微鏡觀察焊接接頭的組織形貌；用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭的微觀形貌。用HVS-50型維氏硬度計測試焊接試樣的硬度。

圖1 摩擦焊接過程中使用的套筒

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織分析

由于摩擦焊接界面上的熱輸入是隨著摩擦線速度的增加而增大，因而從軸心至飛邊，焊合區也隨著半徑的增大而變寬[5-6]。X80鋼摩擦焊焊接接頭典型的宏觀形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，其焊接接頭的宏觀形貌近似呈X形，從軸心到飛邊，焊合區隨半徑的增大而變寬。

圖2 X80摩擦焊接頭典型宏觀組織形貌

X80管線鋼母材的組織形貌如圖3所示。由圖3可以看出，X80管線鋼母材的基本組織是針狀鐵素體，這種組織是在較快的冷卻速度下，在溫度范圍略高于貝氏體形成溫度下的連續冷卻過程中，由于擴散和剪切變形的共同作用，形成沒有完整連續的晶界、粒度參差不一的組織。同時，由于Nb和Mo等微合金的添加、控制軋制和控制冷卻工藝的應用，可以保證得到細小的組織。因此，以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主要組織的X80管線鋼具有較高的抗拉強度和屈服強度。該類管線鋼還具有良好的焊接性能，其抗應力腐蝕、氫誘發裂紋的能力也較高[7]。

圖3 X80管線鋼母材的組織形貌

在掃描電鏡下可以發現X80管線鋼顯微組織體現出了典型的針狀鐵素體特征，組織中的針片結構較為發達。這是由于試驗鋼中含有的合金元素Mo能夠使鐵素體析出線明顯右移，從而抑制先共析鐵素體的形成，但對貝氏體轉變的推遲較小，所以，過冷奧氏體直接向貝氏體轉變。同時，由于Mo的存在，C在奧氏體中的擴散激活能增加，從而使C的擴散系數降低；因此，Mo在強烈抑制先共析鐵素體的析出和長大的同時，促進了高密度位錯亞結構的針狀鐵素體的形成[8-10]。晶界方向不一，且相互交割，晶粒細化明顯，M/A島組織和第二相析出物體積細小且較為均勻地分布在晶界或晶粒內部。

X80管線鋼焊接接頭焊縫區和HAZ的顯微組織如圖4所示。由圖4（a）可見，焊縫區組織主要為針狀鐵素體，并有少量的板條狀鐵素體、珠光體和M/A島組織。焊縫組織晶粒較母材組織晶粒更為細小也更為均勻，這主要是由于摩擦焊接是屬于固相焊，在焊接過程中焊縫金屬處于半熔化狀態。同時在摩擦壓力的作用下晶粒尺寸變小，成分混合均勻。相比于熔化焊接接頭的焊縫而言，摩擦焊接接頭的焊縫寬度明顯變小。

圖4 X80管線鋼焊接接頭焊縫區和HAZ顯微組織 500×

由圖4（b）可見，粗晶區的組織主要為貝氏體和少量的M/A。粗晶區即為過熱區，加熱溫度范圍 Tks－Tm（Tks為開始晶粒急劇長大溫度，Tm為熔點），當熱至1 100℃以上至熔點，晶粒急劇長大。焊后空冷條件下呈粗大的貝氏體組織，塑性韌性降低，但由于X80管線鋼超低的含碳量使得M/A島含量很少，而且分布均勻，這有利于提高材料的韌性，使得其粗晶區仍具有較高沖擊韌性。

由圖4（c）可見，細晶區組織主要為晶粒細小的針狀鐵素體。細晶區即為正火區，也是相變重結晶區，加熱溫度范圍 Ac3－Tks之間，約為900～1 100℃。焊后空冷使該區內的金屬相當于進行了正火處理，其組織為均勻細小的鐵素體和珠光體，力學性能優于母材。

由圖4（d）可見，熱影響區的混合區呈現層狀、塊狀結合分布狀態，晶粒有大有小。鋼中的Ti、Nb和Mo等微合金元素易于在鋼中形成微小的碳氮化物（M（CN））粒子，彌散分布于晶內和晶界，抑制奧氏體晶粒的長大，使得HAZ沒有產生過熱組織。

2.2 力學性能分析

對焊接接頭進行硬度分析時，首先要確定好區域。本次試驗在焊縫中心處依次向左和向右在試樣中心水平線上均勻取點，每個點之間相距0.5 mm，依次經過焊縫、粗晶區、粗晶細晶混合區、細晶區和母材，硬度試驗檢測點位置如圖5所示。為了使試驗結果更為準確，每個試樣總共取37個點，每個點上、中、下各測三次，取其平均數。硬度檢測結果見表2和圖6。

圖5 硬度試驗檢測點位置示意圖

從圖6可見，焊接接頭的硬度呈現對稱分布，經過熱處理的試樣熱影響區中，硬度有高有低，并不是均勻排列。這是因為熱影響區中分布著不同區域，一般來說，熱影響區中粗晶區的硬度最低，因為在焊接時，該區域內奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌度明顯下降；熱影響區中細晶區的硬度最高，因為其組織為均勻而細小的鐵素體和珠光體，機理類似于細晶強化，使得該區域硬度增加。

表2 硬度檢測結果

圖6 硬度檢測結果

鋼的硬度一方面取決于其晶粒度的大小，另一方面還與鋼的化學成分有關，尤其是C及其合金元素在奧氏體中的溶入量。經驗表明，X80管線鋼中，在獲得同種顯微組織的前提下，晶粒越細小，變形抗力越大，鋼的硬度值越大。

3 結 論

（1）X80管線鋼屬針狀鐵素體管線鋼，經過焊接過程中熱的作用，X80管線鋼HAZ的組織由原始的針狀鐵素體轉變為先共析鐵素體、針狀鐵素體及粒狀貝氏體。在焊接接頭不同的區域，其組織形貌是不同的。在焊縫區焊縫組織主要為針狀鐵素體，并有少量的板條狀鐵素體、珠光體和M/A組元；熱影響區粗晶區為鐵素體和粒狀貝氏體；細晶區為均勻細小的鐵素體和貝氏體組織；HAZ與母材混合區主要為貝氏體和少量M/A組元。

（2）進行摩擦焊接后，X80焊接接頭的硬度高于母材，其中焊縫區域硬度最高，達到了247.4HV10，其次是熱影響區，母材的硬度最低，且在焊縫兩側，硬度值呈對稱分布。

（3）M/A組元呈條狀均勻分布在鐵素體周圍，M/A組元中的殘余奧氏體是一種有利的韌性相。研究表明，在外力作用下，奧氏體可以開動多個滑移系同基體一起變形，這樣可以起到協調基體各晶粒變形的作用，提高鋼的塑性。使得焊接接頭的硬度得到了提高。

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Analysis on Microstructure and Hardness of High Steel Grade Pipeline Steel Friction Welding Joint

JING Rui,ZHANG Xiaoyong,JING Ke
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China）

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.005

2016-03-24

編輯：謝淑霞

荊 瑞（1990—），女，在讀碩士研究生，主要從事連續驅動摩擦焊的研究工作。