楊柳青王　宏隋永莉尹長(zhǎng)華趙海鴻夏培培

（1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊065000；2.石油天然氣管道工程質(zhì)量監(jiān)督站，廊坊065000）

0　前言

目前國(guó)內(nèi)油氣管線建設(shè)正處于高峰期，X70管線鋼已成功用于西氣東輸管線的建設(shè)，X70管線鋼為低C，Nb，V和Ti系合金控軋控冷鋼，通過(guò)C和Mn元素的固溶強(qiáng)化，Nb，V和Ti微合金元素細(xì)化晶粒，形成碳化物沉淀，其微觀組織主要為多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、珠光體和M/A組元等[1]。自保護(hù)藥芯焊絲以其優(yōu)良的抗風(fēng)能力、較高的焊接效率和便捷的操作方式，成功應(yīng)用于X70管線現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接中[2]?，F(xiàn)場(chǎng)焊接的方法是先利用纖維素焊條電弧焊或者STT氣保護(hù)半自動(dòng)焊進(jìn)行根焊，然后再用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊進(jìn)行填充和蓋面，完成管道的對(duì)接[3-4]。除了石油管線建設(shè)外，自保護(hù)藥芯焊絲還能夠廣泛應(yīng)用于高層建筑、海洋平臺(tái)、橋梁等氣體和輔助設(shè)備不容易運(yùn)送到的場(chǎng)合，是一種節(jié)能型焊接材料。

本研究采用E71T8-Ni1J自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行了X70管線鋼管半自動(dòng)焊接，通過(guò)光譜分析、金相、掃描電鏡、力學(xué)性能等試驗(yàn)手段，研究了X70管線鋼管自保護(hù)藥芯焊絲焊縫不同焊層及層間熱影響區(qū)的組織特征和焊縫力學(xué)性能。

1　試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過(guò)程

母材選用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X70管線鋼管，規(guī)格為φ1 016 mm×17.5 mm。焊接材料為AWS A5.29 E71T8-Ni1J自保護(hù)藥芯焊絲，焊絲直徑為φ2.0 mm。母材和焊縫熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接使用林肯DC-400型直流焊機(jī)和LN-23P送絲機(jī)，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　X70管線鋼和E71T8-Ni1J自保護(hù)藥芯焊絲化學(xué)成分　%

表2　X70管線鋼管焊接工藝參數(shù)

試件焊接后，對(duì)焊縫切取金相、拉伸和夏比沖擊試樣，取樣位置如圖1所示。拉伸試驗(yàn)參考GB/T 228—2010在WAW1000B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)溫度為-20℃，采用10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，參考GB/T 229—1994在JB500沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；采用HBV-30A型布維硬度計(jì)檢測(cè)焊縫的硬度。焊縫金相試樣經(jīng)過(guò)研磨、拋光后，使用4%硝酸酒精溶液和Lepara試劑侵蝕，采用Axio lmager型光學(xué)顯微鏡和JSM-6010LV掃描電鏡對(duì)X70管線鋼自保護(hù)藥芯焊絲焊縫的組織特征進(jìn)行觀察，利用ImageTool 3.0圖像分析軟件對(duì)試樣組織中M/A組元體積分?jǐn)?shù)和平均弦長(zhǎng)進(jìn)行定量分析。

圖1　焊縫試樣取樣位置示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　焊縫組織特征

X70管線鋼管焊縫宏觀照片如圖2所示，可以看出，焊縫主要分為根焊、填充和蓋面層。填充層又分為4道次，每一道次之間存在明顯的熱影響區(qū)，焊縫內(nèi)部可看到清晰的柱狀晶組織。

X70管線鋼管焊縫金相組織如圖3所示。由圖3（a）根焊層的金相組織可以看出，組織中主要由板條馬氏體和少量粒狀貝氏體組成，馬氏體所占比例較大，約60%，馬氏體尺寸形態(tài)大致相同；由圖3（b）填充層的金相組織可以看出，組織較粗大、分布不均勻，主要由準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A組元組成，其中粒狀貝氏體所占比例較大；由圖3（c）填充層間熱影響區(qū)的金相組織可以看出，層間熱影響區(qū)組織較填充層組織細(xì)小均勻，以粒狀貝氏體為主，可觀察到較清晰的原始奧氏體晶界，在晶界上可看到分布較多的“項(xiàng)鏈狀”M/A；由圖3（d）蓋面層金相組織可以看出，晶粒相比填充層和層間熱影響區(qū)粗大，大小分布不均勻，主要以準(zhǔn)邊形鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體以及M/A組元組成，其中粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體所占比例較大。

圖2　X70管線鋼管焊縫宏觀照片

圖3　X70管線鋼管焊縫的金相組織

采用Lepara試劑侵蝕后的彩色金相組織如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，組織中呈亮白色且凸起的是M/A組元，形狀以塊狀、粒狀和長(zhǎng)條狀為主，基體呈紅褐色或者暗褐色。通過(guò)圖像分析軟件計(jì)算出焊縫不同層中M/A組元的體積分?jǐn)?shù)和平均弦長(zhǎng)見(jiàn)表3。由圖4（a）填充層組織可看出，M/A組元在晶粒內(nèi)部彌散分布，尺寸較均勻，呈塊狀和長(zhǎng)條狀，平均弦長(zhǎng)為3～4 μm，體積分?jǐn)?shù)約7.8%；由圖4（b）填充層間熱影響區(qū)組織可看出，組織中M/A組元數(shù)量較多，尺寸較大，且分布不均勻，呈塊狀和長(zhǎng)條狀，并且?guī)в屑饫饨?，平均弦長(zhǎng)為8～12 μm，體積分?jǐn)?shù)約12.6%，并且在部分晶界處可以觀察到較多呈“項(xiàng)鏈狀”分布的M/A；由圖4（c）蓋面層組織可以看出，該區(qū)域中的M/A組元數(shù)量介于填充層及層間熱影響區(qū)，體積分?jǐn)?shù)為11.8%，但是M/A尺寸較大且不規(guī)則，分布不均勻，平均弦長(zhǎng)10～15 μm，最長(zhǎng)的可達(dá)30～40 μm，并且在組織中還觀察到了尺寸較大的夾雜物。

圖4　X70管線鋼管焊縫彩色金相組織

結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，蓋面層中M/A組元呈長(zhǎng)條狀平行排列，尺寸較大，分布不均勻，而填充層間熱影響區(qū)M/A組元數(shù)量較多，呈塊狀和長(zhǎng)條狀，帶有尖棱角，并且可觀察到較多的“項(xiàng)鏈狀”M/A。焊縫填充層間熱影響區(qū)組織如圖5所示，從圖中可以更清楚地看到M/A組元的分布和形狀特征。焊接過(guò)程中由于填充下一層會(huì)對(duì)前一層產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱循環(huán)作用，“項(xiàng)鏈狀”M/A是峰值溫度在Ac1～Ac3之間的再次加熱后產(chǎn)生的，這種“項(xiàng)鏈狀”M/A可能是引起焊縫韌性降低的原因之一。文獻(xiàn)[5]表明，條狀M/A組元更容易誘發(fā)裂紋，M/A組元的平均弦長(zhǎng)（即尺寸大?。┦且鹁植看嗷闹匾蛩兀?dāng)M/A組元的平均弦長(zhǎng)大于2 μm時(shí)可構(gòu)成Griffith裂紋的臨界尺寸。根據(jù)本研究的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于試驗(yàn)X70管線鋼管來(lái)說(shuō)，層間熱影響區(qū)組織中沿晶界分布的 “項(xiàng)鏈狀”M/A、晶內(nèi)貝氏體板條間形成的平行排列的條狀M/A組元、帶尖棱角的塊狀M/A組元以及焊縫中粗大不均勻的組織都會(huì)降低焊縫韌性。

表3　不同焊層中M/A組元的體積分?jǐn)?shù)和平均弦長(zhǎng)

圖5　焊縫填充層間熱影響區(qū)組織特征

2.2　焊縫力學(xué)性能

X70管線鋼管焊縫力學(xué)性能見(jiàn)表4。焊縫抗拉強(qiáng)度為720～750 MPa，夏比沖擊吸收功為78～128.5 J。M/A組元對(duì)焊縫沖擊韌性影響較大，沖擊吸收功為128.5 J時(shí)，組織較均勻，M/A組元較細(xì)小，分布均勻，沿晶界分布的“項(xiàng)鏈狀”M/A較少；沖擊吸收功為78 J時(shí)，組織均勻性較差，M/A組元粗大，棱角尖銳，并且“項(xiàng)鏈狀”M/A也較多。對(duì)于M/A組元數(shù)量的影響，有研究[6-7]認(rèn)為，高碳含量的M/A組元作為組織中硬的第二相，它的存在破壞了材料基體的連續(xù)性，其含量的增加對(duì)鋼材的韌性不利。然而通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，M/A組元體積分?jǐn)?shù)的增加并不一定降低焊縫沖擊韌性，因此需要綜合考慮其形態(tài)特征等的影響。

表4　X70管線鋼管焊縫力學(xué)性能

3　結(jié)論

（1）根焊組織主要由細(xì)小的等軸晶、板條馬氏體和少量粒狀貝氏體組成；填充焊層中可以觀察到明顯的奧氏體晶界，組織主要由準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A組元組成；層間熱影響區(qū)組織由少量準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、M/A組元以及沿奧氏體晶界連續(xù)分布的“項(xiàng)鏈狀”M/A組成。

（2）通過(guò)彩色金相分析，蓋面層中M/A呈長(zhǎng)條狀平行排列，尺寸較大，分布不均勻，而填充層間熱影響區(qū)M/A組元數(shù)量較多，呈塊狀和長(zhǎng)條狀，帶有尖棱角，并且可以觀察到較多的“項(xiàng)鏈狀”M/A，這種“項(xiàng)鏈狀”M/A是引起焊縫韌性降低的原因之一。

（3）M/A組元對(duì)焊縫沖擊韌性影響較大，沖擊吸收功為128.5 J時(shí)，組織較均勻，M/A組元較細(xì)小，沿晶界分布的“項(xiàng)鏈狀”M/A較少；沖擊吸收功為78 J時(shí)，組織均勻性較差，M/A組元粗大，棱角尖銳，并且“項(xiàng)鏈狀”M/A也較多。

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