X80M管线钢焊接接头性能研究

于　磊李志宏王国平王登树

（1.安徽省特种设备检测院，合肥230051；2.合肥工业大学，合肥230000；3.合肥紫金钢管有限公司，合肥230000）

1　X80M钢材料特征简介

X80M钢属于热机械成型高强度用钢，与碳钢和普低钢的区别在于钢中加入了多种微合金化元素，通过控轧控冷工艺（TMCP），充分发挥了合金元素析出强化和固溶强化等作用[1]，显著改善了钢材的力学性能。目前，X80M宽厚钢板化学成分及力学性能能够达到:碳当量CEpcm≤0.25%，屈服强度下限为555 MPa，抗拉强度下限为625 MPa，且-20℃横向冲击功≥150 J[2]。使得钢材在保证足够强度和良好冲击韧性的同时，依然具有良好的焊接性能。其主要化学成分和力学性能分别见表1和表2。

表1　X80M钢板主要化学成分　%

表2　X80M钢板的力学性能

2　焊接工艺参数设计

2.1　坡口尺寸及焊接顺序

X80M钢板焊接时采用的坡口形式为带钝边的X形坡口。根据板厚和焊接效率等因素，选择的焊接坡口尺寸如图1所示。按图中顺序依次进行1，2和3焊道（层）的焊接。1表示GMAW预焊，2表示SAWL内焊，3表示SAWL外焊。

2.2　焊接工艺参数

预焊采用纯CO2气体保护焊，为保证焊接过程的稳定性，采用直流反接[3]。内焊采用埋弧双丝焊接工艺，前置焊丝采用直流反接，后续焊丝采用交流焊接；外焊采用埋弧三丝焊接，采用“直流+交流+交流”模式，前置焊丝采用直流反接，中间和后续焊丝采用交流焊接。埋弧焊时前置焊丝焊接电流较大，主要是为了保证熔透深度，后续焊丝电流较小，主要是为了控制焊缝表面成形质量。

X80M直缝焊管焊接工艺参数见表3。

图1　X80M直缝焊管的坡口尺寸

表3　X80M直缝焊管焊接工艺参数

3　焊接接头理化性能测试

3.1　横向拉伸性能

截取钢管全壁厚试样，焊缝位于试样中心。将试样在室温下压平，压平后试样尺寸为19 mm（厚）×38 mm（宽）×350 mm（长）[4]， 试验按照 GB/T 228.1—2010标准进行。测得焊接接头抗拉强度为693 MPa，试样断裂于母材，为塑性断裂。

3.2　焊缝横向导向弯曲试验

焊缝导向弯曲试样为全壁厚带弧度试样，焊缝位于试样中心。试样经室温压平后的尺寸为19 mm（厚）×38 mm（宽）×350 mm（长）， 试验方法按照GB/T 232标准进行。弯曲后试样如图2所示。对弯曲后试样进行观察，没有发现管体、焊缝及热影响区存在任何裂纹，证明焊缝、热影响区与管体之间结合良好，塑性良好。

图2　X80M直缝焊管横向弯曲试验结果

3.3　V形缺口夏比冲击试验

试验用主要设备为微机控制用金属摆锤冲击试验机和低温保温箱，截取10 mm×10 mm×55 mm的横向试样，试验按照GB/T 229—2007标准要求进行。

X80M直缝焊管横向冲击试样的断后形貌如图3所示。图3（a）为焊缝冲断后的试样，从左依次编号为 1#，2#和3#； 图3（b）为热影响区冲断后的试样，依次编号为1#，2#和3#。从图3可以看出，热影响区冲击断口剪切面积较大，说明在承受冲击载荷时迅速发生塑性变形的能力较强。焊缝和热影响区冲击试验结果见表4。

图3　X80M直缝焊管横向冲击试样断后形貌

表4　X80M直缝焊管横向冲击试验结果

从表4可以看出，焊缝和热影响区冲击值均低于母材。主要原因是在整个焊接热循环过程中奥氏体晶粒急剧长大[5]，以及焊后冷却过程使组织变得较为粗大所致。

3.4　微观金相组织观察

采用线切割方法，将试样切割成40 mm（长）×19 mm（宽）×15 mm（厚）的小试样， 并按顺序进行打磨、抛光，采用4%硝酸酒精进行腐蚀。在金相显微镜下观察焊接接头的显微组织，结果如图4所示。

从图4可以看出，内、外焊缝中以铁素体和粒状贝氏体组织为主，粗晶区以块状铁素体和粒状贝氏体为主，细晶粒区组织则相对细小，除块状铁素体和粒状贝氏体外，出现了针状铁素体组织，成分和性能进一步向母材靠近；内焊缝比外焊缝的组织细小。因为按照焊接顺序先内焊、后外焊，外焊时，内焊缝处于“正火”[6]温度范围内，致使内焊缝晶粒组织较外焊缝细小。

图4　X80M直缝焊管焊接接头的金相组织

3.5　断口SEM扫描

利用SEM扫描电子显微镜对3#试样的焊缝和热影响区冲击断口分别进行扫描，扫描结果如图5所示。从图5可以看出，焊缝断口形貌主要呈撕裂状“河流花样”特征[7]，也有少部分呈韧窝特征；而热影响区断口形貌主要呈现韧窝断口特征，以塑断为主。说明热影响区冲击试样在断裂前发生了很大的塑性变形。

图5　3#试样焊缝和热影响区冲击断口SEM形貌

4　结语

采用熔化极气体保护焊和埋弧焊组合的方式对X80M管线钢板进行了焊接性试验。对X80M直缝焊管的焊接接头进行了力学性能测试、微观金相观察及冲击试样断口SEM扫描。结果表明，采用该工艺所焊接头的各项指标符合GB/T 9711—2011和其他安全技术规范与标准要求。焊缝中粗大柱状晶导致该区域韧性较低，在实际生产过程中应将焊接热输入量控制在适当的范围之内，以保证焊接质量。

参考文献：

［1］兰亮云，邱春林，赵德文.高钢级管线钢的常规TMCP工艺与 HTP 工艺［J］.轧钢，2009，26（05）：40-41.

［2］GB/T 21237—2007，石油天然气输送管用宽厚钢板［S］.

［3］王长忠，高艳华，卢大勇，等.焊工工艺与技能训练［M］.北京:中国劳动社会保障出版社，2005:158.

［4］GB/T9711—2011，石油天然气工业管线输送用钢管［S］.

［5］张文钺.焊接冶金学［M］.北京:机械工业出版社，2008:185-186.

［6］石德珂.材料科学基础［M］.北京:机械工业出版社，2003:336.

［7］崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理［M］.北京:机械工业出版社，2007:185-189.