X80管线钢焊接接头组织及性能的研究

霍松波，姜金星，黄一新，左秀荣，张展展

(1.南京钢铁股份有限公司 研发中心，南京 210035;2.郑州大学 物理工程学院，郑州 450052)

由于输送石油和天然气的管道运输环境复杂，管线钢需具备优异的性能.为了提高输送效率，减少运输成本，研究和生产高级别管线钢已成为发展的趋势.目前高级别X80管线钢已是国际上成熟和标准的管线钢纲级，已被世界许多国家广泛研究并大规模生产.我国首次在西气东输二线主干线应用X80管线钢管，其管线长度、输送压力、钢管的壁厚都超出世界现有的X80钢管管道水平.

X80管线钢典型组织为针状铁素体，其晶粒随机取向，尺寸大小不一，晶粒内部分布着高密度位错.在成分设计上，针状铁素体X80管线钢采用了较低的碳含量和较高的Mn含量，并通过Nb、Ti、V 微合金化和适量添加 Mo、Cu、Ni、Cr 等合金元素以强化基体，从而能够保证X80管线钢具有良好的强度、低温韧性以及优异的焊接性能［1］.

在钢管成形过程中，焊接是关键环节.管道出现裂纹的位置主要集中在焊接接头处.小角度晶界对裂纹扩展影响较小，但大角度晶界及分布着MA薄膜的小角度晶界能有效阻止位错运动和裂纹扩展［2］.X80管线钢的针状铁素体晶界为高角度晶界，裂纹在扩展过程中受到晶界的强烈阻碍作用［3］，同时弥散分布的第二相粒子对位错有较强的钉扎作用，有效地提高了韧性，因此裂纹不易在针状铁素体组织中形成和扩展.X80管线钢焊接热影响区(HAZ)组织形态由母材的针状铁素体组织转变为板条贝氏体和粒状贝氏体［4］，晶粒显著粗化，韧性降低.

本文以X80管线钢焊接接头为主要研究对象，通过硬度测试及SEM观察，分析焊接接头处硬度和显微组织变化规律，为轧制及焊接工艺的制定奠定基础.

1 试验材料及试验方案

试验选取国内某厂生产的X80管线钢焊接接头，管体厚度为16.4 mm.其化学成分如表1所示.图1为钢管焊接接头的宏观形貌，由图1可见，焊接接头主要由3部分组成，即近焊缝管体母材(BM)、热影响区(HAZ)、焊缝(WM)，HAZ 又分为热影响区粗晶区(CGHAZ)、热影响区细晶区(FGHAZ)和热影响区部分重结晶区(ICHAZ).在HVS－50数显维氏硬度计上进行硬度试验，载荷为10 kg，加载持续时间为15 s.焊接接头硬度测试点分布如图2所示.在距离钢管内、外表面1.5 mm处及厚度中心处，从焊缝中心到近焊缝管体母材进行硬度测试(见图2中“1”“2”“3”位置);在焊缝处，从距外焊边缘1.5 mm到距内焊边缘1.5 mm进行硬度测试(见图2中“4”位置).在日本JSM－6700F扫描电子显微镜(SEM)下观察焊接接头显微组织.试样经研磨抛光后，用4%的硝酸酒精进行腐蚀，然后再进行观察.

表1 试验钢化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition(mass fraction)of the X80 pipeline steel %

图1 钢管焊接接头的宏观形貌Fig.1 Macrostructure of welded joint

图2 维氏硬度测试点分布示意图Fig.2 Location of hardness tests

2 试验结果和分析

2.1 X80管线钢焊接接头的硬度分析

图3为焊接接头硬度变化.由图3(a)可知，距内焊边缘1.5 mm处焊缝(WM)的硬度远大于距外焊边缘1.5 mm和焊缝厚度中心处焊缝的硬度，硬度值最高达到256 HV;在靠近焊缝基体(BM)处，外焊附近的BM硬度值略大于内焊附近和厚度中心的BM.由于受热循环影响，热影响区可以分为粗晶区、细晶区和部分重结晶区.在热影响区，硬度随远离焊缝而降低，靠近基体时达到最小值，但最低硬度仍达到201 HV.随着远离HAZ，基体硬度逐渐增大，最后保持不变.从内焊边缘附近到外焊内焊交界处，焊缝硬度逐渐降低，但外焊硬度变化不大，内焊焊缝硬度(256 HV)远大于外焊焊缝硬度(228 HV).

2.2 X80管线钢焊接接头的微观组织分析

图4为距外焊缝边缘1.5 mm处，从焊缝到热影响区的显微组织变化.由图4(a)可见，原始组织为针状铁素体组织.由图4(b)可知，焊缝的显微组织主要是晶内形核铁素体，铁素体相互交锁紧密排列.图4(c)为热影响区粗晶区的显微组织.由图4(c)可知，这部分组织主要是粗大的贝氏体，原奥氏体晶界清晰可见.贝氏体分成两种，一种是板条贝氏体，板条马氏体/奥氏体(M/A)岛在铁素体基体上相互平行分布;另一种是粒状贝氏体，岛状的M/A岛散乱分布在铁素体基体上.在热影响区细晶区，晶粒细小，远远小于粗晶区晶粒(图4(d))，且晶内出现一些块状铁素体.在热影响区部分重结晶区，显微组织由多边形铁素体、向上浮突的准多边形铁素体和分布在铁素体晶内和晶界上的M－A岛组成(图4(e)).

图3 焊接接头硬度变化Fig.3 Variation of hardness in welded joint

受焊接热循环的影响，靠近焊缝的热影响区粗晶区的加热温度高达1 350～1 400℃，组织完全奥氏体化，同时冷却速度较快，组织主要为粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体(图4(c))，该区域硬度较高.由于粒状贝氏体中大块的高硬度MA岛分布在铁素体基体上，会产生应力集中，导致微裂纹的产生［5］，特别是位于晶界的MA极易造成裂纹的形核和扩展［6］，使冲击韧性显著降低.板条贝氏体具有高密度的高角度晶界，同时有效晶粒直径更小，有助于韧性的提高［7，8］.随距离焊缝距离的增加，受热循环影响的峰值温度逐渐降低，出现热影响区细晶区，此处晶粒细小，同时晶内有铁素体出现，使硬度减小.该区域是热影响区韧性最好的区域.

图4 焊缝、热影响区的微观组织Fig.4 Microstructure of HAZ

图5 热影响区附近基体微观组织Fig.5 Microstructure of base metal near HAZ

受焊接热循环影响，热影响区部分重结晶区组织加热温度在Ac1至Ac3之间，使得这部分区域的组织只发生部分奥氏体转变.奥氏体形成主要包括形核和长大，这两个过程是受扩散控制的相转变过程.奥氏体形核受原始组织的影响较大［9］.原始的针状铁素体组织加热到临界区温度范围时，不规则的锯齿状晶界及板条界给奥氏体提供了大量的形核点，同时非等轴针状铁素体内的亚结构和高密度的位错逐渐溶解，边界逐渐平直，冷却后转变为等轴的多边形铁素体加MA岛组织.

图5为靠近热影响区的基体.由图5可见，靠近热影响区的基体，加热温度低于Ac1，造成M/A岛分解，使这部分区域软化.随着远离热影响区，基体受热循环影响减小，M/A岛分解的数量和程度相应减小，硬度回升.当加热到一定温度时，M/A岛内部碳原子活动能力增加，较低温度下，碳原子一般作短距离迁移，在微观缺陷处偏聚;较高温度下，碳原子可作长距离的迁移，马氏体中的过饱和碳原子基本脱溶，析出更稳定的碳化物.

图6为内焊和外焊显微组织扫描电镜照片.由图6(a)可知，外焊焊缝的显微组织主要是晶内形核铁素体、粒状贝氏体和多边形铁素体.焊缝金属中的某些夹杂物，可作为晶内形核铁素体的形核核心.在奥氏体内部首先形成针状铁素体，把原始奥氏体分割成小区域，有效细化了组织，从而大大地提高了焊缝的冲击韧性［10］.

由图6(c)可知，靠近外焊的内焊焊缝的组织受二次热循环的影响，组织为粒状贝氏体和块状的铁素体.远离外焊的内焊焊缝的组织受二次热循环影响较小，组织和外焊焊缝组织相差不大，仍保持原始的晶内形核铁素体、粒状贝氏体和多边形铁素体组织形貌.受二次焊接热循环的影响，内焊组织中析出物的数量远大于外焊焊缝组织.

在直缝双面埋弧焊焊接过程中，先进行内焊后进行外焊，因此，在进行外焊时，内焊必然会受到外焊热输入的影响，组织会发生变化，进而影响内焊硬度.内焊峰值温度最高的位置(靠近外焊)，组织发生完全奥氏体化，冷却时生成粒状贝氏体加少量铁素体组织，同时内焊的组织中析出物的数量远大于外焊，析出强化效果显著.在内焊中，随着远离外焊，峰值温度逐渐降低.随着温度进一步降低，内外焊组织几乎相差不大，但在内焊组织中有较多的析出物.因此，析出强化是内焊的硬度大于外焊的主要原因.

3 结论

(1)受焊接热循环的影响，热影响区粗晶区组织主要为粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体，硬度较高.靠近热影响区的基体，由于M/A岛分解，硬度值降低.随着远离热影响区，基体受热循环影响的减小，M/A岛分解的数量和程度相应减小，硬度逐渐回升.

(2)外焊焊缝的显微组织主要是晶内形核铁素体.焊缝金属中的某些夹杂物，可作为晶内形核铁素体的形核核心，有效细化组织.靠近外焊的内焊焊缝的组织受二次热循环的影响较大，组织为粒状贝氏体和块状的铁素体.受二次焊接热循环的影响，内焊组织中析出物的数量远大于外焊焊缝组织，析出强化效果显著，使内焊的硬度大于外焊的硬度.

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