X100 鋼級管線鋼焊接接頭熱影響區粗晶區冷卻時間計算方法研究

X100 管線鋼在生產過程中采用了控軋、 控冷工藝， 因而具有較高的強度和韌性， 被廣泛應用于油氣管線建設

。 埋弧焊是X100 管線鋼常用的焊接方法， 其焊接接頭熱影響區按照經歷熱循環的差異， 分為粗晶區、 細晶區、 臨界區和亞臨界區

。 其中粗晶區的峰值溫度一般認為在1 100 ℃到固相線之間。 由于加熱溫度很高， 奧氏體晶粒發生急劇長大， 冷卻后得到粗大的組織， 對熱影響區的性能會產生不利影響

。 在粗晶區的熱循環過程中， 冷卻時間t

對焊后冷卻組織的影響很大， 因此冷卻時間t

對于研究粗晶區的組織性能具有重要的指導意義

。

1 計算冷卻時間t8/5 的理論經驗公式

當鋼材板厚大于臨界板厚時， 采用三維傳熱的計算公式 （公式 （1））； 當板厚小于臨界板厚時， 采用二維傳熱的計算公式（公式（2））

。

在聽說作業的設計上除了聽音模仿、聽音跟讀、模仿配音、朗讀和編演對話，還要為學生創造豐富的語境和真實的情景激發學生使用語言的動機。比如，在讀的作業設計上除了讀課文、表演課文，還要為培養學生良好的閱讀習慣做好規劃，如適當加入繪本閱讀、做讀書筆記、繪制思維導圖、設計生日卡片、創辦手抄報、設計表格、調查、創編廣告語等。在寫的作業設計上要根據課程標準的要求，由能正確書寫字母和單詞、到能模仿范例寫詞句、再到能寫出簡短的語句，教師結合分級標準的要求對學生的書寫進行規范和指導。由于學生缺少英語語言環境，建議作業的布置結合一起作業、趣配音等軟件，引導學生在視聽中加深對語言的理解和運用。

通過分析理論經驗公式可以看出， 在焊接方法、 板厚和初始溫度都確定的情況下， 焊接熱輸入對t

具有決定性作用

。 另一方面， 理論經驗公式與管線鋼的實際焊接過程還有一定差距，用其來計算t

會產生較大誤差。 因此本研究擬在試驗的基礎上研究X100 鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區t

的計算方法。

2 試驗材料及設備

試驗用鋼板為國內某鋼廠生產的X100 管線鋼板， 規格為530 mm×150 mm×18.4 mm， 鋼板的顯微組織如圖1 所示， 組織為粒狀貝氏體和少量多邊形鐵素體。 鋼板的沖擊斷口形貌如圖2 所示， 可以看到斷口全部為韌窩， 局部區域存在一些較大較深的韌窩， 表明粒狀貝氏體＋少量多邊形鐵素體的組織結構賦予了材料良好的韌性。 鋼板的化學成分見表1。 試驗采用H06H1 型焊絲（Φ4 mm）， BG-SJ101H1 型燒結焊劑。 試驗用設備包括林肯AC-1200 型埋弧焊機、 BRD-03 型便攜式電容儲能點焊機、 DYR23CS6L1P102031U 和DYR23BS402032U4A 型函數記錄儀， 以及NiCr-NiSi 熱電偶（K 型， 熔點為1 372 ℃） 等。

3 試驗方法

為獲得焊后粗晶區組織， 選擇中等焊接熱輸入下峰值溫度在1 100 ℃以上的熱循環曲線， 將對應測點處的組織作為X100 鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區的組織， 其顯微組織如圖4 所示。 由圖4可見， 粗晶區的晶粒粗大， 原奧氏體晶界清晰，晶粒內部分布著粗大的板條狀組織。 晶粒粗大的原因是粗晶區的加熱溫度很高且高溫停留時間延長， Ti、 Nb、 V 等元素的碳氮化物大量溶解在基體中， 失去釘扎晶界的作用， 致使奧氏體晶粒嚴重長大， 粗大的晶粒以及晶粒內部粗大的板條狀組織容易誘發顯微裂紋， 且阻止裂紋擴展的能力很弱， 從而導致粗晶區韌性下降。 焊后粗晶區的沖擊斷口形貌如圖5 所示， 由圖5 可知粗晶區發生了解理斷裂， 在每一個解理小面上均呈現扇形的解理臺階， 表明此時粗晶區的韌性已經大幅降低。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

為精確地描述t

與焊接熱輸入的關系， 可以用數學方法求出兩者的函數關系， 常用的兩種方法分別是最小二乘法擬合與拉格朗日插值

。 首先采用最小二乘法擬合， 經嘗試， 當擬合多項式的次數為2 時得到計算精度最高的擬合多項式， 即

4.2 粗晶區的焊后組織

在試板的焊縫中心線兩側不同位置鉆孔作為測試點， 測試點布局和尺寸如圖3 所示。 管線鋼板焊接前， 先利用點焊機將熱電偶的工作端焊在孔的底部， 自由端置于焊接現場環境中， 函數記錄儀接入熱電偶回路。 采用管線鋼焊接時常用的熱輸入進行單絲埋弧焊堆焊管線鋼板， 焊接過程中熱電偶負責測量溫度， 函數記錄儀每隔1 s 記錄一次溫度， 測試結束后將函數記錄儀中的數據導入計算機， 就能得到熱循環曲線中的一系列溫度值

。

由于中東歐16國都相對較小，每個國家又都有自己的國語，且均屬于小語種。而這些語種目前在國內主流外語培訓市場上幾乎難覓蹤跡。因此，在外語培訓市場上，政府可以政策性鼓勵有一定資質的培訓機構開設中東歐國家的小語種培訓。

4.3 粗晶區的t8/5 計算方法

在熱循環曲線中尋找峰值溫度在1 100 ℃以上的曲線作為粗晶區的熱循環曲線， 通過分析曲線得到對應的t

， 試驗采用的熱輸入與對應的t

測量值見表2， 由表2 可知， 隨著熱輸入增加， X100鋼級管線鋼焊接接頭粗晶區的t

逐漸上升。

接著采用拉格朗日插值尋找t

與焊接熱輸入之間的函數表達式， 經過拉格朗日插值， 得到t

與熱輸入之間的函數表達式為

作業設計要堅持以學生為本，按照學生的學習心理特征，把學生置于動態、開放的學習環境，提供多元、綜合學習的機會，讓他們無拘無束，學得主動、積極，體驗自主開放的學習過程，真正成為學習的主人。

為了評價計算值和測量值的吻合程度， 需要計算三種方法計算值的均方根誤差， 均方根誤差描述的是計算值和測量值之間的偏差。 經計算，理論經驗公式、 最小二乘法擬合、 拉格朗日插值的計算值的均方根誤差分別為4.306 3、 0.823 3、0.844 7， 其中最小二乘法擬合計算值的均方根誤差最小， 因此可以把最小二乘法擬合公式作為X100 管線鋼焊接熱影響區粗晶區的t

計算公式。

如果使用外標法定量，應測量標準氣和樣品氣兩者中各組分的峰面積。樣品氣中碳數為n的i組分的摩爾分數按式(3)計算。

為了驗證理論經驗公式、 最小二乘法擬合公式與拉格朗日插值公式的計算精度， 測量了X100鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區在另一組焊接熱輸入下的熱循環曲線， 進而得到相應的t

測量值，然后將這一組焊接熱輸入分別帶入理論經驗公式、最小二乘法擬合公式與拉格朗日插值公式計算對應的t

， t

的測量值與計算值見表3。 采用理論經驗公式計算t

時， 需要首先計算臨界板厚， 經過計算， 焊接熱輸入為17.5 kJ/cm、 21.2 kJ/cm、23.3 kJ/cm 和24.5 kJ/cm 時， 鋼材板厚小于臨界板厚， 應采用二維傳熱的公式計算t

。

5 結 論

（1） X100 鋼級管線鋼母材組織為粒狀貝氏體和少量的多邊形鐵素體， 該組織結構賦予了材料優良的韌性； 焊后粗晶區的晶粒粗大， 晶粒內部分布著粗大的板條狀組織。 粗大的晶粒以及晶內粗大的板條狀組織容易誘發顯微裂紋且阻止裂紋擴展的能力很弱， 導致粗晶區韌性下降。

（2） 熱循環曲線的測量結果表明， 隨著熱輸入增加， X100 鋼級管線鋼焊接接頭粗晶區的t

逐漸上升。

（3） 在測量焊接熱循環曲線的基礎上通過最小二乘法擬合與拉格朗日插值均可獲得X100 鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區t

的計算公式。

（4） 對理論經驗公式、 最小二乘法擬合公式與拉格朗日插值公式進行試驗驗證， 驗證結果表明， 最小二乘法擬合公式的計算值和測量值最接近， 可用于X100 鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區的t

計算， 對于研究焊接熱輸入對X100 鋼級管線鋼焊接熱影響區粗晶區組織性能的影響以及合理制定X100 管線鋼的焊接工藝提供了重要依據。

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