X120级管线钢P—GMAW接头组织分析

2017-05-31 16:51司亚威王宇王向磊赵明
山东工业技术 2017年10期
关键词:显微组织

司亚威+王宇+王向磊+赵明

摘 要:X120级管线钢强度高,但由于大量合金元素的存在,其可焊性差并且容易出现焊接热影响区软化现象。针对上述问题,对X120管线钢进行了脉冲熔化极气体保护焊试验,得到了成型良好的焊接接头。分析焊缝区和热影响区微观组织发现,焊缝区组织形态主要为下贝氏体和马氏体,且晶粒细小;热影响区组织主要为粒状贝氏体、板条贝氏体和长条状的M-A组元,晶粒发生明显长大,这是导致焊接接头性能软化的主要原因。

关键词:X120管线钢;脉冲熔化极气体保护焊;显微组织

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.042

1 X120管线钢

与普通管线钢相比,X120管线钢中加入了B元素。B元素的加入可以提高可淬性,促进马氏体和下贝氏体的形成。含有B元素的母材和热影响区具有更高的韧性。合金元素Ti和Nb的加入,可以防止焊接热影响去的过度退火。钢板的焊接性主要取决于钢板的碳当量,本次实验所用X120钢的Ceq值为0.53。其值高于普通的管线钢,因此焊接性较差。

X120管线钢的典型组织为下贝氏体加少量马氏体,下贝氏体组织可以使管线钢得到足够的强度和韧性。研究表明,化学成分相近的下贝氏体和马氏体,其强度也相近。并且X120管线钢中的下贝氏体晶粒细小,这使得其具有更高的韧性。

2 X120钢的焊接试验及接头组织性能分析

2.1 焊接工艺试验

试验所用X120钢的厚度为16.0 mm,管径为916 mm。针对管口与管口组对环缝焊接,采用窄间隙双V型复合坡口设计。窄间隙坡口的设计使得焊接熔敷量大大减少,各焊层熔宽和热影响区宽度相差较小,极大程度地提高了焊接效率、降低了焊接成本。根据焊接实验结果可以看出,各焊层间熔合良好并未出现未熔合、未焊透现象,整个焊缝宏观无裂纹、气孔等缺陷。

试验采用P-GMAW焊接工艺对X120钢板环形焊缝进行五层焊接,包括根焊层、热焊层、填充一层、填充二层和盖面层,不同焊层在焊接时采用不同的焊接工艺参数。

2.2 焊接接头组织分析

由于工件上不同位置与焊接热源的距离不同,所以各点经历不同的焊接热循环。与普通热处理相比,焊接热过程是一个快速加热和快速冷却的过程,温度梯度很大,因此焊缝上不同位置的点经历的热循环有很大的差别,这就导致了在焊缝上不同位置上产生形态不一的微观组织。

焊接过程中,在电弧热的作用下,X120管线钢母材发生熔化,并且与填充金属熔合,形成焊接熔池,由于焊接电弧的不断移动,当电弧远离时,焊接熔池凝固形成焊接接头。从金相照片中可以看到下贝氏体组织和马氏体组织。X120管线钢焊缝区的马氏体多呈板条状,板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错,位错密度高达(0.3~0.9)×1012cm-2。低碳的位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性。X120管线钢焊缝区有大量下贝氏体,空间形态呈双凸透镜状,与试样磨面相交呈片状或针叶状。在光学显微镜下,下贝氏体呈黑色针状或竹叶状,针与针之间呈一定的角度。在电子显微镜下可以观察到下贝氏体中碳化物的形貌,它们细小弥散,呈粒状或短条状,沿着与铁素体长轴55°~60°角取向平行分布。

研究表明,下贝氏体的强度与相同化学成分马氏体相近,而细小交错的下贝氏体组织又使得管线钢同时具有较高的韧性。在五个焊层中,其微观状态略有不同,但都有马氏体和下贝氏体。对照标尺可以看出,下贝氏体和马氏体的晶粒尺寸普遍分布在10 μm~20 μm之间, 一般不会超过25 μm, 较小尺寸的组织形态避免了晶粒粗大而带来焊缝区软化的不良现象,保证了焊缝力学性能要求。马氏体和下贝氏体的出现可以保证焊缝区的强度,而细小交错的下贝氏体保证了焊缝具有足够的韧性。

焊接过程是一个快速加热、熔化、连续冷却的过程,在焊缝周围的母材由于受到电弧热的作用会经历升温和降温过程,这是一个特殊的热处理过程,因此在焊缝周围形成焊接热影响区。在热影响区的不同位置,由于离电弧的距离不同,所经历的热循环过程也不同,因此形成的组织形貌也不同。

X120级管线钢热影响区的组织形态主要有粒状贝氏体(GB)、板条状贝氏体(LB)和呈长条状的马氏体-奥氏体组元(M-A)。热影响区晶粒尺寸明显变大,一些粒状贝氏体的边界长度已经超过25 μm。粒状贝氏体和板条贝氏体通常在稍高于上贝氏体转变温度(350 ℃~550 ℃)、中等冷却速度条件下形成,两者强度、延伸率相近,但板条贝氏体的冲击功却是粒状贝氏体的5倍,因此过多的粒状贝氏体将会导致管线钢焊缝韧性降低。X120钢较高的碳当量,使得组织中会析出较多数量M-A组元,且大部分M-A组元呈长条链状分布,长度可以贯穿整个贝氏体晶粒。这都使得X120钢焊接接头出现一定程度的局部软化现象。

3 结论

(1)采用窄间隙复合双V型坡口设计,选用脉冲熔化极气体保护工艺焊接X120级管线钢,总共焊接5层,包括根焊层、热焊层、填充一层、填充二层和盖面层,能获得成型良好的焊接接头。

(2)焊缝区的主要组织形态为下贝氏体和马氏体,且晶粒尺寸主要分布在10 μm~20 μm之间,一般不会超过25 μm。焊缝区组织细小,具有良好的力学性能,可以满足焊缝的组织性能要求。

(3) 焊接热影响區主要组织为粒状贝氏体、板条贝氏体和长条状M-A组元,晶粒尺寸出现明显的长大,且大部分M-A组元呈长条状分布,长度可以贯穿整个贝氏体晶粒。粗大的晶粒使热影响区组织塑韧性严重下降,长条状M-A组元也会使焊接热影响区出现一定程度局部软化现象。

参考文献:

[1]李继红,杨亮,张敏.X120管线钢的研究现状与发展前景[J].热加工工艺,2012,41(22):99-103.

[2]王建泽,康永林,杨善武等.ULCB钢相变产物粒状与板条状贝氏体组织性能研究[J].材料工程,2006(01):252-254.

基金项目:大学生创新创业训练项目(20151156) 国家自然科学基金(51305461)

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