不同焊接電流下X80高等級管線鋼焊絲熔敷金屬的組織及性能研究

賴世強 王高見

摘要：研究了焊接電流對高等級X80專用高效氣體保護焊絲熔敷金屬的力學性能和組織的影響，為自動焊在高寒地區管道工程中的應用及焊接工藝選擇提供基礎。結果表明：在150～250 A焊接電流下X80管線鋼焊絲（1.0）熔敷金屬均具有較好的強韌性;隨著焊接電流的增加，焊縫沖擊韌性有所降低，焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降4～5 J;焊縫組織以細小鐵素體為主，賦予材料優良的強韌特性。

關鍵詞：焊接電流;X80管線鋼;熔敷金屬;性能

中圖分類號：TG444+.77 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0121-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.25

0 前言

現代油氣管線正面臨著高壓輸送以及低溫、大位移、深海、酸性介質等惡劣環境的挑戰。為適應管線工程的經濟性和安全性的要求，管線鋼及其焊縫要具有高強度、高低溫韌性、大變形性、厚壁、高抗腐蝕性和惡劣環境下的焊接性等[1]。目前，管線鋼主要采用高強度級別的X80微合金化控軋鋼、調質鋼;管線鋼裝配焊接施工由傳統焊條電弧焊逐漸開始應用更高效率的管道自動焊技術[2];焊接材料由傳統的酸性與低氫型上向焊焊條向活性氣體保護焊用實心焊絲發展，目前以國外品牌為主;許可施焊環境溫度也由過去的 5 ℃以上逐步推向-20 ℃的低溫甚至極限的-50 ℃環境低溫，對焊接及焊縫性能要求更高[3-4]。

眾所周知，焊接材料及焊接電流對整個焊接接頭的組織和性能起著決定性作用，而目前關于高等級X80專用高效氣體保護焊絲滿足現代油氣管線的高強、高低溫韌性等高性能適應性的研究以及焊接電流對其影響的研究并不多。基于此，文中開展焊接電流對X80管線鋼高效氣體保護焊絲熔敷金屬力學性能和組織的影響研究，為自動焊在高寒地區管道工程中的應用及焊接工藝選擇提供基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試板焊接

按照GB/T 8110制備熔敷金屬試板，試驗母材為Q345，板厚20 mm，母材坡口面和墊板面用試驗焊絲焊接隔離層，試板由氣體保護焊多層多道焊焊接而成。焊絲采用西冶新材料X80管線鋼專用焊絲，直徑1.0 mm，焊絲化學成分如表1所示;保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，分別采用150 A、200 A、250 A三種焊接電流進行焊接，焊接參數如表2所示。

1.2 試樣制備

焊接后按GB/T 8110-2008截取拉伸試樣和沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）;用微機電子控制萬能試驗機（CMT5305）對試樣按GB/T 2652進行拉伸試驗;沖擊試驗按照GB/T 2650在JBW-500B擺錘式沖擊試驗機上進行，測定-30 ℃、-50 ℃低溫沖擊吸收功。金相試樣經機械拋光后用3%硝酸酒精溶液進行腐蝕，用DWJ倒置金相顯微鏡進行觀察;最后利用KYKY2000掃描電鏡對沖擊斷口進行分析。

2? 試驗結果及分析

2.1? 力學性能

不同焊接電流下的X80高等級管線鋼焊絲熔敷金屬力學性能如表3所示。

由表3可知，三種焊接電流下強度均滿足X80管線工程要求;焊接電流為150 A、200 A時強度變化不大;焊接電流為250 A時，屈服強度和抗拉強度降低35～55 MPa，這是由于隨著焊接電流的提高，一方面焊縫合金元素燒損加大，另一方面焊接線能量增加，焊接熱循環在高溫停留時間增加，t8/5增加，焊縫組織有晶粒變大傾向，導致強度降低。

上述沖擊韌性試驗結果表明，三種焊接電流下

-30 ℃、-50 ℃沖擊韌性分別大于100 J、70 J，具有較好的韌性水平;焊接電流對X80 管線鋼焊絲熔敷金屬的韌性有較大影響，在150～250 A范圍內，隨著焊接電流的提高，沖擊韌性有所降低;焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降4～5 J。因此，為保證自動焊在高寒地區X80管道焊接工程中的應用，推薦焊接電流應不高于250 A，優選200 A以下。

2.2 金相組織分析

三種焊接電流下的焊縫組織如圖1所示。在不同焊接電流條件下，焊縫組織會發生相應變化。

由圖1可知，末道焊縫組織呈現白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內生長，晶內有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;隨著焊接電流的增加，由于冷卻速率的降低，末道焊縫晶粒有粗化的傾向，枝狀晶尺寸增大，多邊形鐵素體的比例增大。層間區焊縫組織由白色細小鐵素體、黑色珠光體和少量貝氏體組成，賦予材料優良的強韌特性;隨著焊接電流的增加，層間區焊縫組織有晶粒變大傾向但不明顯。細小的鐵素體的獲得是焊絲中的Ti以TiO2形式存在于焊縫中在固態相變時成為鐵素體的形核核心，從而增加了焊縫金屬中晶內鐵素體含量并起到細化作用。

2.3 斷口掃描分析

（1）斷口宏觀形貌分析。#、2#、3#三種焊接電流下焊縫沖擊斷口宏觀形貌如圖2所示。從宏觀形貌上看，三種焊縫放射區完全消失，只存在下纖維區和剪切唇[5];纖維區呈現凹凸較顯著的灰色纖維狀形貌;表明三種焊縫均具有較大的塑韌度性[6];在1#和2#中兩側剪切唇占相當大的比例，與其沖擊功較高有良好的吻合。

（2）斷口微觀形貌分析。不同焊接電流下的焊縫沖擊斷口掃描電鏡微觀形貌如圖3所示。可以看出，在三種焊接電流下焊縫的沖擊斷口微觀形貌呈韌窩+準解理的混合斷裂特征，1#焊縫斷口存在大量小韌窩集聚而成的較大尺寸的韌窩，韌窩所占比例較大;2#焊縫斷口韌窩所占比例變少，多存在于撕裂棱上，撕裂棱粗大;3#焊縫解理臺階明顯，在撕裂棱處存在韌窩，韌窩所占比例更少，可見，在焊接電流過大時，解理臺階明顯，斷口韌窩撕裂特征變少，沖擊吸收功也相應較少[7-8]。

3 結論

（1）采用三種不同的焊接電流（150 A、200 A、250 A），X80管線鋼專用焊絲熔敷金屬均具有較好的強韌性;隨著焊接電流的增加，焊縫沖擊韌性有所降低，焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降低4～5 J。為保證在高寒地區X80管道焊接工程應用，推薦焊接電流應不高于250 A，優選200 A以下。

（2）隨著焊接電流的增加，末道焊縫及層間區焊縫有晶粒粗化的傾向;末道焊縫晶內存在大量針狀鐵素體，層間區焊縫組織以白色細小鐵素體為主，賦予材料優良的強韌特性。

（3）三種不同的焊接電流下焊縫沖擊斷口宏觀形貌呈現放射區完全消失、只存在下纖維區和剪切唇，斷口微觀形貌呈明顯斷口韌窩撕裂特征，表明焊縫有較好的塑韌性。當焊接電流過大時，斷口韌窩撕裂特征變少，沖擊吸收功相應也相應較少。

參考文獻：

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