提高HFW 焊缝低温夏比冲击韧性的研究

左兰兰，侯学勤

（1.中石化石油工程机械有限公司沙市钢管厂，湖北 荆州434001；2.北京航空材料研究院，北京100095）

0 前 言

近年来，市场对HFW焊管的品质要求越来越高，其中HFW焊缝的低温冲击韧性成为衡量产品质量的核心指标之一。实际生产中影响焊缝冲击韧性的因素很多，国内外有很多制管厂在这一方面做了大量的研究工作，对于提高焊缝的低温韧性提供了宝贵的经验［1-6］。笔者在借鉴前人研究的基础上，从实际生产中发现的问题着手，重点分析了造成焊缝夏比冲击功偏低的原因，从而针对性地进行改进，以指导实际生产。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本研究的试验样本均取自于国内某钢厂生产的X60热轧管线钢带生产的高频焊管，规格为φ 406.4mm×10.3mm，生产速度为16m/min，焊缝热处理采用在线正火处理。X60热轧管线钢的化学成分见表1。

表1 X60热轧管线钢的化学成分 %

1.2 试验设备

用NI750F型冲击试验机对样本进行夏比冲击试验，用CS3100扫描电镜和INCA能谱仪观察分析冲击断口的形貌和成分，用YAW200-YB型压扁试验机对钢管焊缝进行压扁试验，用GX41型光学显微镜观察样本的显微组织。试验所有样本均经生产线配置的在线E1155.SNHF.S和离线E1155.SNHF.F超声波检测仪器检测，所有样本的取样、制备和评定均按照GB/T 9711—2011及其引用标准执行。

1.3 试验方法

为了便于对比分析，选择了表2的试验样本。其中未经热处理的1#和2#试样是不同焊接工艺参数下的取样，经热处理的所有样本均是同样焊接条件下的取样。选择夏比冲击值最小的试样进行扫描电镜和能谱分析。

表2 试样编号及处理状态

2 试验结果及分析

2.1 夏比冲击试验结果及分析

夏比冲击试样尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm，表2各组试样的夏比冲击试验结果见表3。

从表3可以看出，未经热处理条件下，由于焊接工艺参数设置不同，造成焊缝本身的焊接质量存在很大差别，按照GB/T 9711—2011的要求，在0℃的条件下，全尺寸焊缝夏比冲击试验的最小平均吸收功≥27 J，任何一个试样的试验值不应小于规定最小平均吸收功的75%，即单值≥20.25 J。2#试样是在1#试样的基础上对焊接工艺参数进行了优化，其结果是单值和平均值均满足标准要求，而1#试样单值和平均值均不满足标准要求，表明如果焊接工艺参数设置恰当，焊缝焊接质量良好，即便不需经过热处理，焊缝的夏比冲击值也满足标准要求。

表3 夏比冲击试验结果

由表3还可以看出，焊缝经过热处理后低温冲击韧性得到明显的改善，－20℃条件下，经过热处理的H1试样的冲击值无论是单值还是平均值均要远远大于未经热处理的2#试样。而不同热处理工艺条件下，例如H2试样的热处理温度约为900℃，H3试样的热处理温度约为1 180℃，出现低温冲击韧性不均匀，吸收功单值分别出现29 J和12.4 J的较低值。

2.2 夏比冲击试验断口分析

夏比冲击试样的断口在扫描电镜下的形貌如图1所示，断裂裂纹源区位于试样左下方的黑色区域，即红色圈内的区域。利用能谱仪对该黑色区域的成分进行分析，结果见图2～图4及表4～表6。

图1 夏比冲击试样的断口在扫描电镜下的形貌

图2 图1黑色区域位置一的能谱分析

表4 图1黑色区域位置一的能谱分析结果

图3 图1黑色区域位置三的能谱分析

表5 图1黑色区域位置三的能谱分析结果

图4 图1黑色区域位置四的能谱分析

表6 图1黑色区域位置四的能谱分析结果

图2～图4分别选取了3个不同点进行能谱分析，从图2和图4的能谱图和元素百分比可以看出，此区域的Mn，Si和O的含量相对较高，说明该处为Mn和Si的氧化物，从图3谱图和元素百分比可以看出，此区域Mn含量占绝大部分比例。由此可以判断，断裂裂纹起源于Mn和Si氧化物的聚集区域，说明焊缝中氧化物夹杂是造成夏比冲击吸收功过低的主要原因［7-9］。

2.3 显微组织分析

图5是不同热处理工艺下焊缝的显微组织。

图5 不同热处理工艺下焊缝的显微组织

由图5（a）可以看出，焊缝区域组织大小不一，且分布不均匀，说明在本试验所设置的生产速度（16 m/min）和正火热处理温度（约900℃）条件下，由于热处理温度较低，使焊缝区域的组织未完全达到均匀化，从而影响了焊缝的低温冲击韧性（见表2中H2试样）。图5（b）是同样的生产速度，正火热处理温度约为1 180℃时焊缝的显微组织，组织中出现损害韧性的魏氏组织［10］，是影响焊缝低温韧性的主要原因（见表2中H3试样）。

3 结 论

（1）焊缝中氧化夹杂物通常是焊缝断裂的源区，是影响焊缝冲击韧性的主要原因之一。因此，对于HFW焊管而言，选择优质的原材料是提高焊缝低温冲击韧性的第一步。

（2）热处理工艺对于提高焊缝的低温冲击韧性也很重要，不同的热处理工艺会产生不同的显微组织，从而影响焊缝的韧性。因此，应根据生产线的具体设置，包括生产速度、材质、壁厚来确定相应的热处理温度，使焊缝组织均匀、细化，以达到更好地改善焊缝韧性的目标。

（3）高频焊缝的焊接质量也是影响焊缝低温冲击韧性的重要因素。在同样的夏比冲击试验温度（0℃）下，优化焊接工艺本身就可以提高焊缝的韧性，加之后续适当的热处理工艺，可以更大程度上提高焊缝的低温冲击韧性。

实际生产中虽然影响焊缝冲击韧性的原因很多，有些情况下也很复杂，可能是多方面原因共同作用的结果，但是分析造成的主要原因，并从源头上着手一一进行控制和解决，才是提高HFW焊缝低温冲击韧性最有效的方法。

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