X100 钢级管线钢焊接接头热影响区粗晶区冷却时间计算方法研究

X100 管线钢在生产过程中采用了控轧、 控冷工艺， 因而具有较高的强度和韧性， 被广泛应用于油气管线建设

。 埋弧焊是X100 管线钢常用的焊接方法， 其焊接接头热影响区按照经历热循环的差异， 分为粗晶区、 细晶区、 临界区和亚临界区

。 其中粗晶区的峰值温度一般认为在1 100 ℃到固相线之间。 由于加热温度很高， 奥氏体晶粒发生急剧长大， 冷却后得到粗大的组织， 对热影响区的性能会产生不利影响

。 在粗晶区的热循环过程中， 冷却时间t

对焊后冷却组织的影响很大， 因此冷却时间t

对于研究粗晶区的组织性能具有重要的指导意义

。

1 计算冷却时间t8/5 的理论经验公式

当钢材板厚大于临界板厚时， 采用三维传热的计算公式 （公式 （1））； 当板厚小于临界板厚时， 采用二维传热的计算公式（公式（2））

。

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通过分析理论经验公式可以看出， 在焊接方法、 板厚和初始温度都确定的情况下， 焊接热输入对t

具有决定性作用

。 另一方面， 理论经验公式与管线钢的实际焊接过程还有一定差距，用其来计算t

会产生较大误差。 因此本研究拟在试验的基础上研究X100 钢级管线钢焊接热影响区粗晶区t

的计算方法。

2 试验材料及设备

试验用钢板为国内某钢厂生产的X100 管线钢板， 规格为530 mm×150 mm×18.4 mm， 钢板的显微组织如图1 所示， 组织为粒状贝氏体和少量多边形铁素体。 钢板的冲击断口形貌如图2 所示， 可以看到断口全部为韧窝， 局部区域存在一些较大较深的韧窝， 表明粒状贝氏体＋少量多边形铁素体的组织结构赋予了材料良好的韧性。 钢板的化学成分见表1。 试验采用H06H1 型焊丝（Φ4 mm）， BG-SJ101H1 型烧结焊剂。 试验用设备包括林肯AC-1200 型埋弧焊机、 BRD-03 型便携式电容储能点焊机、 DYR23CS6L1P102031U 和DYR23BS402032U4A 型函数记录仪， 以及NiCr-NiSi 热电偶（K 型， 熔点为1 372 ℃） 等。

3 试验方法

为获得焊后粗晶区组织， 选择中等焊接热输入下峰值温度在1 100 ℃以上的热循环曲线， 将对应测点处的组织作为X100 钢级管线钢焊接热影响区粗晶区的组织， 其显微组织如图4 所示。 由图4可见， 粗晶区的晶粒粗大， 原奥氏体晶界清晰，晶粒内部分布着粗大的板条状组织。 晶粒粗大的原因是粗晶区的加热温度很高且高温停留时间延长， Ti、 Nb、 V 等元素的碳氮化物大量溶解在基体中， 失去钉扎晶界的作用， 致使奥氏体晶粒严重长大， 粗大的晶粒以及晶粒内部粗大的板条状组织容易诱发显微裂纹， 且阻止裂纹扩展的能力很弱， 从而导致粗晶区韧性下降。 焊后粗晶区的冲击断口形貌如图5 所示， 由图5 可知粗晶区发生了解理断裂， 在每一个解理小面上均呈现扇形的解理台阶， 表明此时粗晶区的韧性已经大幅降低。

4 试验结果与分析

4.1 试验结果

为精确地描述t

与焊接热输入的关系， 可以用数学方法求出两者的函数关系， 常用的两种方法分别是最小二乘法拟合与拉格朗日插值

。 首先采用最小二乘法拟合， 经尝试， 当拟合多项式的次数为2 时得到计算精度最高的拟合多项式， 即

4.2 粗晶区的焊后组织

在试板的焊缝中心线两侧不同位置钻孔作为测试点， 测试点布局和尺寸如图3 所示。 管线钢板焊接前， 先利用点焊机将热电偶的工作端焊在孔的底部， 自由端置于焊接现场环境中， 函数记录仪接入热电偶回路。 采用管线钢焊接时常用的热输入进行单丝埋弧焊堆焊管线钢板， 焊接过程中热电偶负责测量温度， 函数记录仪每隔1 s 记录一次温度， 测试结束后将函数记录仪中的数据导入计算机， 就能得到热循环曲线中的一系列温度值

。

由于中东欧16国都相对较小，每个国家又都有自己的国语，且均属于小语种。而这些语种目前在国内主流外语培训市场上几乎难觅踪迹。因此，在外语培训市场上，政府可以政策性鼓励有一定资质的培训机构开设中东欧国家的小语种培训。

4.3 粗晶区的t8/5 计算方法

在热循环曲线中寻找峰值温度在1 100 ℃以上的曲线作为粗晶区的热循环曲线， 通过分析曲线得到对应的t

， 试验采用的热输入与对应的t

测量值见表2， 由表2 可知， 随着热输入增加， X100钢级管线钢焊接接头粗晶区的t

逐渐上升。

接着采用拉格朗日插值寻找t

与焊接热输入之间的函数表达式， 经过拉格朗日插值， 得到t

与热输入之间的函数表达式为

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为了评价计算值和测量值的吻合程度， 需要计算三种方法计算值的均方根误差， 均方根误差描述的是计算值和测量值之间的偏差。 经计算，理论经验公式、 最小二乘法拟合、 拉格朗日插值的计算值的均方根误差分别为4.306 3、 0.823 3、0.844 7， 其中最小二乘法拟合计算值的均方根误差最小， 因此可以把最小二乘法拟合公式作为X100 管线钢焊接热影响区粗晶区的t

计算公式。

如果使用外标法定量，应测量标准气和样品气两者中各组分的峰面积。样品气中碳数为n的i组分的摩尔分数按式(3)计算。

为了验证理论经验公式、 最小二乘法拟合公式与拉格朗日插值公式的计算精度， 测量了X100钢级管线钢焊接热影响区粗晶区在另一组焊接热输入下的热循环曲线， 进而得到相应的t

测量值，然后将这一组焊接热输入分别带入理论经验公式、最小二乘法拟合公式与拉格朗日插值公式计算对应的t

， t

的测量值与计算值见表3。 采用理论经验公式计算t

时， 需要首先计算临界板厚， 经过计算， 焊接热输入为17.5 kJ/cm、 21.2 kJ/cm、23.3 kJ/cm 和24.5 kJ/cm 时， 钢材板厚小于临界板厚， 应采用二维传热的公式计算t

。

5 结 论

（1） X100 钢级管线钢母材组织为粒状贝氏体和少量的多边形铁素体， 该组织结构赋予了材料优良的韧性； 焊后粗晶区的晶粒粗大， 晶粒内部分布着粗大的板条状组织。 粗大的晶粒以及晶内粗大的板条状组织容易诱发显微裂纹且阻止裂纹扩展的能力很弱， 导致粗晶区韧性下降。

（2） 热循环曲线的测量结果表明， 随着热输入增加， X100 钢级管线钢焊接接头粗晶区的t

逐渐上升。

（3） 在测量焊接热循环曲线的基础上通过最小二乘法拟合与拉格朗日插值均可获得X100 钢级管线钢焊接热影响区粗晶区t

的计算公式。

（4） 对理论经验公式、 最小二乘法拟合公式与拉格朗日插值公式进行试验验证， 验证结果表明， 最小二乘法拟合公式的计算值和测量值最接近， 可用于X100 钢级管线钢焊接热影响区粗晶区的t

计算， 对于研究焊接热输入对X100 钢级管线钢焊接热影响区粗晶区组织性能的影响以及合理制定X100 管线钢的焊接工艺提供了重要依据。

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