X70 大變形管環焊接頭及斷裂機制研究

牛靖，張恩濤，呂玉海，王浩，殷咸青，陳宏遠

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 718500；3.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077）

隨著能源需求的增長，油氣輸送管線鋼逐步向著高強、高韌、大口徑以及高壓輸送的趨勢發展[1—4]。近年來，在管線發生較大塑性變形的情況下，國內外出現了很多環焊接頭失效事故，其中很大一部分是由于焊接熱影響區強度較低而導致的局部集中變形，最終引起管線的斷裂失效。大量研究表明，管線鋼環焊接頭熱影響區軟化是這種斷裂失效的直接原因[5—9]。關于高強低合金鋼焊接接頭的軟化問題已有大量的研究報道，碳當量越高，馬氏體轉變溫度（Ms）及貝氏體轉變溫度（Bs）越高，焊后HAZ 出現軟化的可能性越高[10]。由于管線鋼本身的強化機制及其對焊接熱循環的敏感性，焊接熱影響區會出現明顯的晶粒粗化，從而造成了HAZ 的局部軟化失強[11]。

應變設計（Strain-based design）[12—14]是近年來石油天然氣輸送管線設計建設領域最有意義的發展之一。環焊接頭軟化問題[15]是嚴重制約大變形管線安全服役能力的關鍵問題，對其展開深入研究，可以為改善環焊接頭的強度水平和變形特性提供重要的理論指導。文中將在研究X70 大變形管焊接接頭軟化問題的基礎上，采用數字圖像相關法（Digital Image Correlation，簡稱DIC 法）進行焊接接頭變形特征研究，并探討軟化區激光強化方法，為基于應變設計X70 管線的建設及服役安全提供重要的理論和技術支撐。

1 試驗

試驗用X70 大變形管材，壁厚為14.7 mm，化學成分見表1。開V 型坡口（見圖1），采用Φ3.2 mm的CHE507 電焊條進行焊接，焊接工藝參數見表2。

表1 試驗用X70 大變形管化學成分分析結果Tab.1 Chemical composition analysis results of X70 large deformed pipe for test

圖1 坡口形式及尺寸Fig.1 Groove type and size

表2 焊接層次及其焊接工藝參數Tab.2 Welding level and welding process parameters

對X70 管接頭制取硬度、微觀組織及拉伸試樣，展開試驗研究。在HXD-1000TMC 型顯微維氏硬度計上，測試距離外表面和內表面2 mm 處焊接接頭不同區域的硬度。試驗載荷為200 g，保載的時間為15 s。采用Nikon MA200 倒置金相顯微鏡分析X70 焊接接頭微觀組織。數字圖像相關法（DIC）是一種基于物體表面的散斑圖像灰度分析，從而獲得物體運動和變形信息的新型光測方法。數字散斑相關方法是一種非接觸全場測量方法，可從整體上對物體變形規律進行分析。為了研究X70 焊接接頭斷裂機制，在對拉伸試樣進行拉伸試驗過程中，通過XJDIC 系統采集不同時刻的散斑圖像，獲得了焊接接頭關鍵區域的變形曲線。

為了探索X70 大變形管線鋼焊接接頭的強化方法，利用激光對焊接接頭熱影響區進行了重熔試驗。激光重熔參數為：0.4 mm 光斑直徑、4 kW 激光功率、+2 mm 離焦量、1 m/min 重熔速度。對激光重熔后的焊接接頭取拉伸試樣進行了拉伸試驗。

2 結果及其分析

2.1 焊接接頭硬度測試結果及分析

X70 大變形鋼焊接接頭的熱影響區存在比較明顯的軟化區，而且軟化區均位于靠近焊縫的熱影響區，見圖2，此區域會產生應變集中，這樣會直接導致焊接接頭拉伸時在熱影響區的斷裂，所以，這可能就是焊接接頭拉伸過程中容易斷裂于焊接熱影響區的主要原因。研究表明，管線鋼焊接接頭的強度與焊接接頭熱影響區及其軟化區存在一定的聯系。

從表3 統計的結果看出，試樣上表面硬度為左側最低硬度為HV0.2181，右側為HV0.2188，試樣下表面硬度為左側最低硬度為HV0.2208，右側為HV0.2197。以X70 大變形鋼平均硬度HV0.2220 為基準，按照軟化區平均最低硬度計算了焊接接頭軟化區硬度損失[5]。由表3 可以看出，焊接接頭上表面HAZ 區域寬度小于下表面，焊接接頭上表面最大硬度損失值較下表面大。

圖2 焊接接頭硬度分布Fig.2 Vickers hardness distribution of welded joints

表3 焊接接頭熱影響區及軟化區寬度及顯微硬度結果Tab.3 Test results of heat affected zone and softened zone width and microhardness of welded joint

2.2 焊接接頭微觀組織分析

使用倒置金相顯微鏡觀察了上下表面以及母材等區域的典型微觀組織。如圖3，試樣的焊接接頭上表面和下表面熱影響區都可觀察看到較為明顯的粗晶區和混晶區等區域。在金相顯微鏡上，著重觀察了上下表面的粗晶區和混晶區，以及X70 大變形管母材組織，如圖4 所示。

由圖4a 可以看出，上表面熱影響區晶粒較為粗大，其中，粗晶區的組織主要由鐵素體和貝氏體組成。大量粗大的粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體的存在是焊接接頭熱影響區近縫區出現軟化的主要內在原因[5]。由圖4a 和4b 可看出，焊接接頭的上下表面熱影響區粗晶區的組織明顯不同，下表面熱影響區粗晶區的組織主要是由粗大的貝氏體組成，是由于焊接過程中熱量的不均勻性，上表面熱量及溫度高于下表面，同時上表面的冷卻速度低于下表面，所以導致上下表面熱影響區粗晶區的微觀組織明顯不同。由圖4a 和4b 可看出，上下表面均由粗大粒狀貝氏體的微觀組織組成。上下表面顯微組織的不同，導致了表面硬度存在一定的差異。由圖4d 可知，下表面熱影響區混晶區由鐵素體和細小的粒狀貝氏體構成。試驗用X70 母材組織是由鐵素體和粒狀貝氏體組成，見圖4d，其中，粒狀貝氏體起到強化組織的作用，鐵素體的特點是具有較好的塑韌性。研究表明，焊接接頭的熱影響區粗晶區會導致接頭的軟化。

2.3 焊接接頭拉伸試驗過程DIC 結果分析

在對X70 焊接接頭試樣的拉伸試驗過程中，通過XJDIC 系統采集不同時刻的散斑圖像，并獲得了焊接接頭關鍵區域的變形曲線，見圖5。從圖5 可以看出，當拉伸應力達到300 MPa 時，焊縫及軟化區開始有塑性變形產生，而當拉伸應力達到約55 MPa 時，母材才開始發生塑性變形；軟化區在試樣拉伸的最后階段，其應變量快速增加，直至試樣斷裂，其應變量遠超過母材；焊縫也發生了比較大的應變，但總應變量小于軟化區；試樣完全斷裂前，軟化區應變量達37%左右，焊縫最大應變量達25%左右，而母材應變僅為5%左右。可以判斷，因為軟化區的存在，導致焊接接頭在拉伸過程中其應變極不均勻，最終導致試樣在發生嚴重塑性變形的軟化區斷裂。焊態焊接接頭拉伸試驗結果見表4。

圖3 焊接接頭熱影響區低倍形貌Fig.3 Morphology of heat affected zone of welded joints at low magnification

圖4 焊接接頭各區域典型組織Fig.4 Microstructures of each zone of welded joint

圖5 焊接接頭關鍵區域的應變-應力曲線Fig.5 Strain-stress curve of key areas of welded joint

2.4 焊接接頭激光重熔試驗結果及分析

利用激光對X70 大變形鋼焊接接頭熱影響區進行了重熔試驗。在激光重熔前后，分別制取了3 個原壁厚拉伸試樣，試樣平行段寬度均為25 mm。經過拉伸試驗及數據處理，兩種接頭的拉伸試驗結果見表4。焊態X70 焊接接頭的拉伸試樣斷裂位置均為近縫區，而經過熱影響區激光重熔的焊接接頭無一例外均斷裂于母材，滿足標準Q/SYGJX 137.1—2012 中“焊接接頭拉伸斷裂位置不能斷于焊縫及近縫區”的要求，且其抗拉強度較焊態焊接接頭的平均抗拉強度提高10%以上。

前述的焊態焊接接頭顯微硬度測試結果和拉伸過程DIC 分析結果表明，拉伸試驗過程中，焊態焊接接頭軟化區發生的應變集中現象是焊接接頭斷裂于近縫區的主要原因。焊接熱影響區激光重熔后，焊接接頭的斷裂位置和抗拉強度變化進一步證明這一結論的正確性。激光束作為一種高能熱源，用作X70鋼焊接熱影響區重熔，不但具有良好的強化作用，也不會產生二次軟化現象。通過對激光重熔焊接接頭的拉伸過程進行觀察發現，當載荷達到一定值時試樣開始發生塑性變形，但焊接熱影響區沒有出現明顯的塑性變形，說明激光重熔區域沒有參與整個試樣的協同變形；隨著載荷的逐步加大，試樣的塑性變形量增加，這種現象越發明顯，使得X70 大變形鋼的良好均勻變形能力得到很大程度的發揮，最終在母材上發生斷裂。單從X70 大變形鋼焊接接頭拉伸試驗結果來看，熱影響區激光重熔對改變焊接接頭的斷裂位置和提高焊接接頭的抗拉強度具有明顯效果，是改善X70大變形鋼及高鋼級管線鋼焊接接頭拉伸性能的有益探索，但微區強硬化對焊接接頭韌性及斷裂行為帶來的影響還有待進一步研究。

表4 X70 鋼焊接接頭拉伸試驗結果對比Tab.4 Comparison of tensile test results of X70 steel welded joints

3 結論

1）X70 焊接接頭熱影響區粗晶區存在明顯的軟化，最大硬度損失達HV0.239；X70 焊接接頭熱影響區粗晶區中，大量粗大的粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體的存在是導致焊接接頭熱影響區軟化的主要原因。

2）焊態X70 鋼焊接接頭在拉伸過程中，軟化區發生了明顯的應變集中，加載方向的最大應變可達37%，遠高于母材5%的應變量，是X70 焊接接頭斷裂于近縫區的主要原因。

3）焊接熱影響區激光強化后，不但避免了焊接接頭拉伸試樣在近縫區的斷裂，而且可使焊接接頭抗拉強度提高率達10%以上。