黃景鵬，徐學(xué)利，王洪鐸，鄭梗梗

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065)

高強(qiáng)度管線鋼焊接性研究現(xiàn)狀*

黃景鵬，徐學(xué)利，王洪鐸，鄭梗梗

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065)

為了進(jìn)一步提高我國高強(qiáng)度管線鋼的焊接水平，促進(jìn)管線工程以及焊接技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)目前我國管道工程的發(fā)展,討論了高強(qiáng)度管線鋼存在的焊接性問題，主要針對焊縫金屬的強(qiáng)韌化匹配問題、冷裂紋問題以及HAZ的脆化問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，結(jié)合存在的焊接性問題提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，建議提高焊接接頭的韌性可以通過成分、工藝兩方面因素來考慮；防止冷裂紋產(chǎn)生可從氫含量、淬硬組織、應(yīng)力三個(gè)方面進(jìn)行控制；提高焊接熱影響區(qū)的韌性，可以采用激光焊、超窄間隙GMA焊、脈沖MAG焊等低熱輸入的焊接方法。

高強(qiáng)度管線鋼；焊接性；強(qiáng)韌化；冷裂紋；HAZ脆化

1 高強(qiáng)度管線鋼的焊接性問題

近年來，隨著管道工程的發(fā)展以及焊接技術(shù)的進(jìn)步，油氣輸送管道趨向于大直徑，輸送介質(zhì)復(fù)雜，輸送壓力增大，而且管線的使用條件越來越苛刻。因此，管道材料的研究正朝著高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)良的現(xiàn)場焊接性等多方面發(fā)展[1]。這就要求管線鋼不僅具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性等綜合力學(xué)性能，而且還要具有良好的焊接性。焊接性的好壞是評價(jià)管線鋼使用性能的主要指標(biāo)之一。焊接性、焊接材料以及相應(yīng)的焊接工藝是管線鋼焊接的三個(gè)基本要素，三者密不可分。隨著管線鋼強(qiáng)度級別的提高和合金元素含量的增加以及焊接工藝條件的變化，都會引起各種焊接性問題[2]。尤其是焊縫金屬的強(qiáng)韌化匹配、冷裂紋以及HAZ的脆化問題。

2 高強(qiáng)度管線鋼焊接性研究

2.1 焊縫的強(qiáng)韌化匹配

高強(qiáng)度管線鋼焊接性分析中首先考慮的是保證焊縫金屬的強(qiáng)度性能，同時(shí)韌性下降也是焊接過程中不容忽視的問題。焊縫金屬主要是通過合金化控制焊縫的組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。對于高強(qiáng)度管線鋼而言，若焊縫金屬強(qiáng)度過高，將導(dǎo)致焊縫韌性、塑性、抗裂性下降，從而降低焊接結(jié)構(gòu)的使用安全性。要實(shí)現(xiàn)焊縫金屬與母材的等匹配較為困難，因?yàn)殡S著強(qiáng)度級別的提高，碳當(dāng)量增大，焊縫的冷裂傾向增大。要實(shí)現(xiàn)焊縫的強(qiáng)韌化，并避免冷裂紋，需開發(fā)與母材性能相匹配的焊接材料，但在這方面尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)[3]。另外，從匹配上分析，在管線鋼強(qiáng)度很高的情況下，采用“低強(qiáng)匹配”雖然對焊縫韌性要求有所提高，但減少了管道現(xiàn)場施工的難度，焊縫開裂傾向也有所降低。實(shí)踐證明，“低強(qiáng)匹配”的焊縫往往能提高焊縫的韌性和抗冷裂紋敏感性，提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，從而獲得良好的使用性能和較高的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，為了提高焊接接頭的韌性，還可以通過兩方面來考慮：一是成分因素，二是工藝因素。焊縫的化學(xué)成分包括有害雜質(zhì)元素和合金元素，有害雜質(zhì)元素包括S、P、N、O和H，其中S、P和H的含量應(yīng)越低越好，w(N)應(yīng)控制在0.002 8％～0.005 5％，w(O)應(yīng)控制在 0.027％～0.032％。減少焊縫中的有害雜質(zhì)元素，對焊縫的韌性有重要的影響。合金元素主要包括Mn、Si、V、Mo、Nb、Ti和B等。為減少C元素對管線鋼韌性和焊接性的不良影響，管線鋼中的C含量不斷降低，為彌補(bǔ)由此帶來的強(qiáng)度損失就必須通過添加其他合金元素來補(bǔ)充,或采用新的成分和組織設(shè)計(jì)[4]。合金元素對焊縫韌性的影響比較復(fù)雜，只有當(dāng)合金元素含量保持在一定范圍內(nèi)才對改善韌性有利；另外有些元素的韌化作用要受到其他元素的影響，如Ti和B的韌化作用與O和N有密切關(guān)系；熱處理對合金元素發(fā)揮作用也有影響，如用Nb和V來韌化焊縫時(shí),焊后必須進(jìn)行正火處理。通過以上分析，焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)焊接接頭對韌性的需求選擇成分合適的焊接材料[5]。同時(shí)也可以通過改變焊接方法、坡口角度等方式選擇合適的熔合比來提高焊接接頭的韌性。

2.2 管線鋼的焊接冷裂紋傾向

大量生產(chǎn)實(shí)踐以及理論分析研究表明：冷裂紋產(chǎn)生的三要素是焊接接頭中擴(kuò)散氫含量、淬硬傾向和拘束應(yīng)力。在焊接高溫的作用下，熔池中溶解了大量的氫(此時(shí)熔池中主要成分是奧氏體，氫的溶解度比較大)，而在隨后的冷卻和凝固過程中，奧氏體相變?yōu)殍F素體的過程會卻引起氫的溶解度急劇降低，而此時(shí)氫極力逸出，但因冷卻速度很快，氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，從而使氫處于過飽和狀態(tài)，當(dāng)氫的濃度足夠高時(shí)，將產(chǎn)生裂紋[6]。同時(shí)，高強(qiáng)鋼因母材的碳當(dāng)量較低，熔敷金屬的碳當(dāng)量較高，氫就被留在熔化的金屬中，從而在焊縫中出現(xiàn)冷裂紋。

高強(qiáng)鋼的淬硬傾向與含碳量、化學(xué)成分、冷卻條件和焊接工藝等因素有關(guān)，其中最主要的是含碳量。淬硬傾向越大，則容易產(chǎn)生裂紋。因?yàn)轳R氏體是碳在α鐵中的過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格中，使鐵原子偏離平衡位置晶格發(fā)生畸變，致使組織處于硬化狀態(tài)。特別是在焊接條件下，加熱溫度很高使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，當(dāng)快速冷卻時(shí)，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體[5]。從金屬的強(qiáng)度理論可知[7-8]，馬氏體是一種脆硬組織，發(fā)生斷裂時(shí)將消耗較低的能量。因此，當(dāng)焊接接頭中有馬氏體存在時(shí)，易于形成裂紋。同時(shí)冷裂紋發(fā)生的敏感程度一般和碳當(dāng)量是同步的，即碳當(dāng)量降低，淬硬傾向減小，冷裂紋傾向降低。但隨著強(qiáng)度級別的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。母材的低碳當(dāng)量及高強(qiáng)度化，會促使冷裂紋發(fā)生的位置從HAZ轉(zhuǎn)移到焊縫，特別是在管線鋼現(xiàn)場鋪設(shè)安裝進(jìn)行環(huán)縫焊接時(shí)，因常采用氫含量較高的纖維素焊條，容易產(chǎn)生脆硬低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，熱輸入小，冷卻速度較快，故而也會大大增加冷裂紋的敏感性[2]。

焊接接頭處的拘束應(yīng)力也對冷裂紋起著很重要的作用。在焊接時(shí)，焊接區(qū)會受熱發(fā)生膨脹，因而會承受壓應(yīng)力，冷卻時(shí)由于收縮又會受到拉應(yīng)力。最終會在焊后產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。這種在不均勻加熱及冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用，會引起氫的聚集，誘發(fā)氫致裂紋。在不同的焊接條件下，需要多大的拘束力會產(chǎn)生裂紋，這對實(shí)際工程領(lǐng)域很重要。而隨著焊接時(shí)產(chǎn)生拘束應(yīng)力的不斷增大，直至開始產(chǎn)生裂紋，此時(shí)的拘束應(yīng)力為臨界拘束應(yīng)力σcr。它反映各個(gè)因素的共同結(jié)果，因而可以將σcr作為評定冷裂紋敏感性的判據(jù)。

防止冷裂紋產(chǎn)生可從氫含量控制、淬硬組織控制、應(yīng)力控制三個(gè)方面入手?？刂茪浜坑蓄A(yù)熱、焊接材料的選用以及焊條的烘培等途徑。在目前管道施工中，使用最廣泛的焊接材料是纖維素型焊條，這是因?yàn)槔w維素焊條易于操作，具有高的焊接速度，結(jié)晶區(qū)間小。但是，纖維素焊條的含氫量很高，因此在管道施工時(shí)預(yù)熱是防止冷裂紋產(chǎn)生的最有效方法。它通過延長冷卻時(shí)間，降低焊后冷卻速度，以促進(jìn)氫的逸出，同時(shí)還可以改善焊接組織和減少應(yīng)力。淬硬組織的控制主要是控制焊接線能量的大小，隨著焊接線能量的增加，t8/5增加，焊后冷卻速度減少，影響到奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，使其不易于形成淬硬組織，從而減少冷裂紋的發(fā)生。應(yīng)力的控制主要是防止焊縫分布密集、消除應(yīng)力集中，從而降低冷裂紋的產(chǎn)生。

2.3 HAZ的脆化

對于高強(qiáng)度管線鋼，由于管線鋼晶粒細(xì)小，在焊接熱循環(huán)作用下易發(fā)生晶粒長大。在焊接過程中，HAZ的溫度很高，其中粗晶區(qū)的溫度接近鋼材的固相線溫度，因而盡管高溫停留時(shí)間短，奧氏體晶粒仍急劇長大。當(dāng)加熱溫度大于1 300℃而處于粗晶區(qū)時(shí)，奧氏體晶粒尺寸會明顯長大。由于晶粒越粗，晶界越少，對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用越小，從而導(dǎo)致粗晶區(qū)的脆化[9-10]，使裂紋更容易沿晶界擴(kuò)展,使沖擊韌性更低[11-12]。因此高強(qiáng)度管線鋼焊接后，與母材晶粒相比，其HAZ區(qū)的奧氏體晶粒將嚴(yán)重粗化，使母材不再具有之前的優(yōu)異性能。

為控制在高熱輸入下管線鋼焊接熱影響區(qū)的晶粒長大，可通過向鋼中加入微合金元素來實(shí)現(xiàn)。圖1為金屬元素對晶粒直徑的影響。由圖1可以看出，Ti是一種在焊接峰值溫度下能生成穩(wěn)定的TiN而控制晶粒長大的元素。TiN是阻止晶粒長大的有效析出粒子，高溫難熔的細(xì)小彌散TiN粒子，拖曳和釘扎了高溫奧氏體晶界的遷移，TiN粒子尺寸越細(xì)小，數(shù)目越多，細(xì)化奧氏體晶粒的作用越強(qiáng)。研究表明，即使在高達(dá)1 400℃的高溫下，TiN仍表現(xiàn)了很高的穩(wěn)定性，從而有效抑制在高輸入下的奧氏體晶界的遷移和晶粒相互吞并的長大過程。目前管線鋼中最佳 w(Ti)=0.01％～0.03％，并保持Ti/N值＜3.5，因?yàn)門i/N值過高或過低都會削弱這一細(xì)化作用。原因是在鋼中氮含量適當(dāng)時(shí)，比理想化學(xué)配比稍低的Ti量限制了Ti在基體中的溶解度，減少了顆粒長大所必須的溶解原子擴(kuò)散流，阻礙了TiN顆粒的長大。當(dāng)鋼中的Ti/N值過小，鋼中含Ti嚴(yán)重不足，高溫下TiN顆粒數(shù)目太少，阻礙奧氏體晶粒長大的作用有限；當(dāng)Ti/N值過大，鋼中Ti大量溶入基體，鋼液中析出的少量TiN顆粒會特別粗大，從而不能有效地阻礙奧氏體晶粒長大[13]。

圖1 金屬元素對晶粒直徑的影響

圖2 是不同鋼級管線鋼粗晶區(qū)沖擊韌性和焊接線能量之間的關(guān)系。由圖2可以看出，當(dāng)焊接線能量為10～30 kJ/cm時(shí)，可使粗晶區(qū)有較好的韌性水平；當(dāng)焊接線能量＞30 kJ/cm時(shí)，粗晶區(qū)的韌性下降很明顯，發(fā)生嚴(yán)重的脆化。因此，為了提高管線鋼焊接熱影響區(qū)的韌性，可以采用激光焊、超窄間隙GMA焊及脈沖MAG焊等低熱輸入的焊接方法[14]。

圖2 不同鋼級管線鋼粗晶區(qū)沖擊韌性和焊接線能量之間的關(guān)系

3 結(jié) 語

隨著當(dāng)今管道工程以及鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，對管線鋼的焊接性提出了更高的要求。因此，加強(qiáng)高強(qiáng)度管線鋼焊接性的研究，是焊接工作者當(dāng)前和未來研究的重要課題，也對我國管線工程以及焊接技術(shù)的發(fā)展有著重大的意義。

[1]王儀康，楊柯，單以銀，等.高壓輸氣管線用鋼[J].焊管，2002，25(1):1-9.

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Research Current Status of High Strength Pipeline Steel Weldability

HUANG Jingpeng,XU Xueli,WANG Hongduo,ZHENG Genggeng
(School of Materials Science and Engineering，Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

In order to further increase the welding level of China domestic high strength pipeline steel,promote the development of pipeline engineering and welding technology,according to the development of pipeline engineering in our country,it discussed the weldability problem existed in high strength pipeline,and summarized the research status of some problems,such as the strength and toughness matching of weld metal,cold crack problem and HAZ embrittlement.At the same time,it put forward the corresponding preventive measures combined with weldability problems.It suggested that the toughness of welded joints can be increased from composition and welding process;the cold crack can be controlled from three aspects,including hydrogen content,hardening organization and stress;the toughness of HAZ can be enhanced by using low heat input welding methods,such as laser welding,ultra narrow gap GMA welding,pulse MAG welding and so on.

high strength pipeline steel;weldability;strengthening and toughening;cold crack;HAZ embrittlement

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.005

陜西省重點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程省級優(yōu)勢學(xué)科資助項(xiàng)目”(項(xiàng)目號ys37020203)。

黃景鵬(1992—)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻饘俨牧系暮附有浴?/p>

2016-03-20

黃蔚莉