熱輸入量對熔化極氣體保護焊焊縫強韌性的影響*

李為衛， 李嘉良， 梁明華， 何小東， 楊耀彬

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077; 2. 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室， 西安710077; 3. 中移系統集成有限公司， 成都610041）

0 前 言

經濟發展對能源的需求， 促進了油氣管道大規模建設。 由于歷史原因， 長期以來我國的管道建設基本采用手工、 半自動的焊接方法， 焊接質量主要依賴焊工的技術水平， 由于管理和技術問題， 長輸天然氣管道近年來出現了多次環焊縫失效事故， 在對管體檢測過程中也發現大量焊縫存在質量問題， 以往的半自動、 手工焊等焊接工藝已不能完全滿足工程需要[1-3]。 熔化極氣體保護焊（GMAW） 是油氣長輸管道最適用的焊接方法，一般采用自動或機械方式， 效率高、 質量優， 國外大量用于油氣管道的焊接[4]， 我國近年來也正在大力推廣這種方法。

管道環縫焊接工藝和選材的一個重要指標就是焊縫強度和韌性的匹配。 焊接結構采用高強匹配還是低強匹配， 國內外有大量的文獻研究， 但認識不一致[4-7]。 盡管國內的研究認識和標準規定不統一， 但多數觀點認為， 金屬結構焊縫的高強匹配， 對焊縫的抗斷裂、 抗變形更加有利， 高強匹配的焊縫對缺陷的容限高， 韌性要求低； 低強匹配焊縫容易產生應變集中， 加上焊縫缺陷， 易造成焊縫開裂失效， 給管道運行安全帶來隱患[8]。

GMAW 實心焊絲與母材熔合后共同形成的焊接接頭強度受母材、 工藝參數等因素影響很大， 文獻[9]研究表明， 焊縫金屬的強度比焊絲自身的熔敷金屬強度高出120～150 MPa， 合理選擇和使用焊接材料以及合適的焊接工藝參數對保證焊縫金屬的優良力學性能至關重要。 為了掌握焊接工藝參數對焊縫性能的影響規律， 本研究對兩種國產焊絲和兩種進口焊絲GMAW 焊縫的拉伸性能和沖擊韌性進行了試驗研究和分析。

1 試驗材料和方法

試驗采用的焊接材料為直徑1.0 mm 的實心焊絲， 按焊材相關標準進行熔敷金屬性能試驗，試驗結果見表1。

表1 焊絲熔敷金屬拉伸和沖擊韌性試驗結果

試樣采用鋼級為L485M、 厚度31.8 mm 的鋼板， 其縱向抗拉強度為610 MPa， 屈服強度為526 MPa， 縱向低溫（-20 ℃） 沖擊韌性為352 J。沿鋼板橫向邊緣加工坡口（焊縫對應鋼管環向），焊接坡口形式如圖1 所示。 焊接方法為GMAW，試板采用傾斜45°、 下向焊方式進行不同熱輸入量的多層多道焊接， 保護氣為50%Ar+50%CO2，焊接材料、 工藝參數等見表2。

圖1 試樣焊接坡口形式和尺寸示意圖

表2 焊接試驗材料及工藝參數

焊接試驗完成后， 在焊縫中心、 沿焊縫長度方向加工標距段直徑為6.25 mm、 標距長為25 mm圓棒試樣進行常溫拉伸性能試驗。 在垂直焊縫方向取樣， 在焊縫中心加工截面尺寸10 mm×10 mm的夏比V 形缺口試樣， 在-20 ℃下進行低溫沖擊韌性試驗。

2 試驗結果及分析

采用4 種焊絲在不同熱輸入參數條件下進行焊縫拉伸試驗和沖擊試驗， 結果見表3。 與表1焊絲熔敷金屬拉伸和沖擊韌性試驗相比， 由于試驗條件不同， 焊縫的屈服強度和抗拉強度比熔敷金屬的強度有明顯的提高， 尤其是低熱輸入參數下大幅提高。 例如， 國產A3 焊絲， 在較高熱輸入下， 焊縫的屈服強度和抗拉強度比焊絲熔敷金屬分別升高128 MPa 和94 MPa； 在較低熱輸入下， 焊縫的屈服強度和抗拉強度比焊絲熔敷金屬分別升高189 MPa 和122 MPa。 進口B 焊絲，在較高熱輸入下， 焊縫的屈服強度和抗拉強度比焊絲熔敷金屬分別升高105 MPa 和31 MPa； 在較低熱輸入下， 焊縫的屈服和抗拉強度比焊絲熔敷金屬分別升高151 MPa 和54 MPa。 造成上述差異的主要因素有： ①采用的試樣材料不同，焊絲熔敷金屬試驗一般采用碳鋼試樣， 本試驗采用微合金管線鋼試樣； ②焊接坡口形式和尺寸差別大； ③焊接工藝參數不同。 另外， 合金元素燒損以及焊縫冷卻速度不均勻造成顯微組織存在差異， 因而造成焊縫金屬與焊絲熔敷金屬拉伸強度的較大差異。

表3 不同焊接熱輸入下焊縫金屬的拉伸性能和沖擊韌性

從表3 可以看出， 與較高熱輸入相比， 在較低熱輸入下， 每種焊絲全焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度均增大， 其中屈服強度升幅更明顯， 屈服強度最大升高167 MPa， 抗拉強度最大升高131 MPa。 與較高熱輸入相比， 較低熱輸入焊縫金屬的伸長率有不同程度下降， 最大下降3.2%，但伸長率仍然較高。 較低熱輸入下， 焊縫韌性表現不一致， 兩種焊絲 （國產A2、 進口B 焊絲）有明顯的升高， 另外兩種焊絲基本保持不變。

由于其微觀組織發生變化， 進而導致性能的差異。 焊接熱輸入既可改變焊縫金屬一次結晶組織， 又可改變多層多道焊時焊縫金屬的二次組織。 圖2 為國產A2 焊絲在兩種不同的熱輸入下的填充焊縫典型顯微組織， 均由針狀鐵素體和先共析鐵素體組成， 但是與1.5 kJ/cm 熱輸入相比，在0.65 kJ/cm 熱輸入下， 先共析鐵素體含量明顯減少， 針狀鐵素體變得更加細小， 因而其強度和韌性明顯增大。 圖3 為進口B 焊絲在兩種不同熱輸入下的填充焊縫典型顯微組織， 與圖2 相比， 1.2 kJ/cm 較高熱輸入與0.68 kJ/cm 較低熱輸入的先共析鐵素體含量和針狀鐵素體變化不明顯， 因而其強度和韌性提高程度相對較小。

從理論上分析， 在較高的熱輸入下， 因為焊縫結晶冷卻速度較慢， 焊縫先共析鐵素體量較多，針狀鐵素體較粗大， 而在較低熱輸入參數下， 焊縫結晶冷卻速度快， 焊縫先共析鐵素體較少， 針狀鐵素體更細小。 焊縫中大量針狀鐵素體可顯著提高微裂紋擴展抗力， 增強焊縫金屬的強韌性[9]。

焊縫金屬的強度和韌性， 一直是焊接結構關注的重點， 尤其對高強度高壓天然氣管道環縫的焊接， 由于受到不明確的外力， 加上不可避免的缺陷， 近年來成為行業關注和研究的重點。從焊接材料和工藝的角度， 選用合適的焊材，在合適的工藝參數下形成強度合理匹配、 韌性高的焊接接頭， 從而保證焊接結構的服役安全。從以上試驗分析可以看出， 工藝參數對GMAW實心焊絲形成焊縫的強度和韌性有很大影響，應引起關注。

圖2 國產A2 焊絲在不同熱輸入下的填充焊縫顯微組織

圖3 進口B 焊絲在不同熱輸入下的填充焊縫顯微組織

3 結論及建議

（1） GMAW 實心焊絲的焊接接頭在試驗條件下， 焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度較焊材熔敷金屬的強度有明顯提高， 尤其是在較低熱輸入參數下， 有大幅提高。

（2） 焊接熱輸入對GMAW 實心焊絲形成焊縫金屬的顯微組織、 強度和韌性有很大影響。 在較低的熱輸入下， 填充焊縫的針狀鐵素體更加細小， 先共析鐵素體含量更少， 焊縫強度更高， 韌性更好。

（3） 建議系統研究不同的焊接材料， 結合具體的管道用鋼材成分， 根據現場工藝參數下強韌性的變化規律， 合理匹配焊接材料， 并在與實際管道相近的焊接條件下進行焊接材料的性能復驗。