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(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.安徽電力工程監(jiān)理有限公司 安徽 淮北 235000)

·試驗研究·

焊接接頭試樣斷裂強度及位置分析

張華佳1，李娜1，陳康2，范煒1，莫子雄1，張庶鑫1，任繼承1

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.安徽電力工程監(jiān)理有限公司 安徽 淮北 235000)

統(tǒng)計了大量焊接接頭試樣和母材試樣拉伸試驗數(shù)據(jù)，并以某X65直縫埋弧焊管為例，進行了力學、金相等方面的實驗，進行初步的探討及合理的解釋。根據(jù)研究結果可以看到，焊接接頭試樣斷裂位置一般位于焊縫和母材的過渡區(qū)，這與熔合區(qū)及熱影響區(qū)的組織和性能較差有關。且無論斷于何處，焊接接頭強度一般大于母材強度，推測是由于焊接或者焊后的相關熱處理及加工硬化等因素導致。

焊接匹配；管線鋼；強度；熱影響區(qū); 斷裂

0 引 言

在對石油管材拉伸試樣進行的檢測試驗中，通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，很多同管段焊接接頭試樣的抗拉強度都大于管體母材試樣的抗拉強度，且焊接接頭試樣大都斷裂于焊縫向母材過渡的區(qū)域。本文以Φ610 mm×19.1 mm X65直縫埋弧焊管為例，通過力學、金相等相關實驗和分析，進行初步的探討，并對此現(xiàn)象進行解釋，進而對實際生產(chǎn)提出相關建議。

1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

1.1 焊接接頭及母材拉伸結果

在對焊接接頭試樣及管體母材試樣日常的檢測實驗中，選取了一些有代表性的數(shù)據(jù)，其結果如表1所示。

由表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，在對X65、X80、L485MS、L245等材料的拉伸試驗檢測中，焊接接頭的強度均高于管體母材強度，且焊接接頭試樣斷裂位置大部分位于熔合線、熱影響區(qū)或母材，即焊縫向母材過渡的區(qū)域。這種焊接接頭和管體母材抗拉強度的差異，存在于各種材料，因此和材料種類無關。表1中不僅有螺旋縫焊管，還有直縫焊管，因此與制管方式也無關。而對比表1中第二組X80直縫管的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，強度差異與試樣的取樣方向和位置(橫向、縱向、角度)也無關。而本實驗中，由表1(第一組)可以看到，Φ610 mm×19.1 mm X65直縫埋弧焊管焊接接頭試樣的抗拉強度比管體母材試樣的抗拉強度高約40 MPa，接近7%，且斷裂位置在熔合線或熔合線旁的母材。

表1 拉伸試驗結果

1.2 焊接接頭高強度匹配

在理論的焊接結構中，焊縫與母材在強度上有三種關系：焊縫強度等于母材(等強匹配)，焊縫強度超出母材(超強匹配，也稱高強匹配)及焊縫強度低于母材(低強匹配)，通過本文表1中所列材料的拉伸實驗數(shù)據(jù)可以看到，焊接接頭抗拉強度都高于母材強度，考慮到等強匹配可能會造成超強的效果，本文實驗的焊接結構應該為等強匹配或高強匹配。這樣可以保證焊接接頭的室溫抗拉強度不低于母材金屬的室溫抗拉強度，使焊接接頭靜載拉伸最終斷在母材上，從而在實際應用中保證焊接接頭的安全[1]。

2 理化實驗分析

2.1 X65試樣外觀

本文以表1中第一組實驗X65試樣為例進行分析。本實驗中，一組試樣為焊接接頭，如圖1和圖2所示。一組試樣為管體母材180°橫向，如圖3和圖4所示。焊接接頭試樣和管體母材試樣都取自同一管段，因此材料來源是相同的。由圖1中可以看到，本實驗中焊接接頭試樣的斷裂位置位于熱影響區(qū)或焊縫旁的母材，即焊縫向母材過渡的地方，而在表1中其它的焊接接頭拉伸實驗中，大部分試樣的斷裂位置也是在這個過渡區(qū)。

圖1 焊接接頭斷裂外觀

圖2 焊接接頭斷斷口

圖3 管體母材斷裂外觀

圖4 管體母材斷口

2.2 金相分析

為了對此現(xiàn)象進行探究，首先對焊接接頭斷口處的試樣進行了金相顯微組織方面的分析。如圖5和圖6所示，1號試塊為管體母材斷裂處切割的取樣，2號試塊為焊接接頭焊縫處的取樣，A面為焊縫連接的母材面，B面為焊縫的垂直切割面，3號試塊為焊接接頭拉伸試樣斷裂處母材一側。

對試塊進行金相顯微組織的分析，結果如表2和圖7～圖12所示。

圖5 斷口取樣試塊

圖6 斷口取樣示意圖(上為管體，下為焊接接頭)

表2 金相試驗結果

圖7 1#組織

圖8 2#焊縫組織

圖9 2#熔合區(qū)組織

圖10 2#細晶區(qū)組織

圖11 3# B類超尺寸夾雜物

圖12 3#組織

2.3 硬度分析

對其中一根焊接接頭試樣進行硬度方面的分析，得到結果如表3、圖13和圖14所示。

如圖13所示，在焊接接頭截面外焊側距表面 2 mm處、試樣中心和內(nèi)焊側距表面2 mm處從左至右依次測試13個位置，測試結果見表3，圖14為硬度變化曲線。

表3 維氏硬度(HV10)試驗結果

圖13 焊接接頭硬度測試點

圖14 焊接接頭硬度變化曲線

在圖13中，1點、2點、12點、13點為母材區(qū)域，3點、4點、5點、9點、10點、11點為熱影響區(qū)和熔合區(qū)，6點、7點、8點為焊縫。由圖14可以看到，焊接頭硬度值在焊縫處最高，這是由于焊縫區(qū)在冷卻過程中，過冷度較大，晶粒就會變細，相當于做了淬火處理。而熱影響區(qū)附近出現(xiàn)下降現(xiàn)象，是由于焊接熱輸入的不穩(wěn)定造成了焊接時熱量散發(fā)不出去，加速冷卻期間的冷卻速率高于焊接過程的冷卻速率，熱影響區(qū)出現(xiàn)較粗大的粒狀貝氏體與鐵素體，混合區(qū)域組織成分分布不均，導致了出現(xiàn)硬度低的軟化現(xiàn)象[2]。

3 焊接接頭組織結構分析

3.1 焊接接頭分類

焊接是通過加熱或者加壓，用或不用填充材料，使兩個分離的工件，結合起來的工藝流程。焊接按工藝特點可分為熔焊，壓焊和釬焊。管線鋼中，埋弧焊是很常見的焊接方式，分為單面和雙面埋弧焊。埋弧焊基本原理如下：焊接電弧在焊劑層下進行燃燒，使焊劑熔化、蒸發(fā)，形成氣體，在電弧周圍形成封閉空腔。由焊絲不斷送入，以熔滴狀進入熔池，與熔化的母材金屬混合，隨著焊接電弧向前移動，金屬熔池也隨之移動，失去了加熱源的金屬溶液逐漸冷卻形成焊縫，最終完成連接。

因此，焊接接頭是基體金屬與熔融的填充金屬熔化凝固而形成的不均勻體。根據(jù)各部分的組織與性能的不同，焊接接頭可分為焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三個部分。如圖15所示，區(qū)域1為焊縫區(qū)，區(qū)域2為熔合區(qū)，區(qū)域3、4、5、6為熱影響區(qū)。

焊縫區(qū)是母材金屬與填充金屬熔化后又快速冷凝而成。成分為鑄態(tài)組織，晶粒粗大，組織不致密。但可通過調整合金元素含量，使其滿足性能要求[3]。

熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫金屬與熱影響區(qū)的交界處，熔化區(qū)和非熔化區(qū)之間的過渡部分。熔合區(qū)化學成分不均勻，往往是粗大的過熱組織或粗大的淬硬組織，微觀組織和力學性能極不均勻。熔合區(qū)的特點是：1)幾何尺寸??； 2)成分不均勻；3)空位密度高；4)殘余應力大；5)晶界液化嚴重。因此熔合區(qū)還常常是脆性斷裂和焊接裂紋的發(fā)源地，是焊接接頭的最薄弱區(qū)。

熱影響區(qū)是在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的金相組織和力學性能變化的區(qū)域。管線鋼一般屬于低碳鋼，低碳鋼的熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)和再結晶區(qū)。1)過熱區(qū)。也稱為粗晶區(qū)，溫度在固相線至1 100℃之間，寬度約1～3 mm。焊接時，該區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中機械性能最差的部位。2)正火區(qū)。也稱為細晶區(qū)，溫度在1 100℃～Ac3之間，寬度約1.2～4.0 mm。焊后空冷使該區(qū)內(nèi)的金屬相當于進行了正火處理，故其組織為均勻而細小的鐵素體和珠光體，正火區(qū)的機械性能較好，力學性能可能優(yōu)于母材。3)部分相變區(qū)。也稱部分正火區(qū)，最高加熱溫度從Ac1至Ac3的區(qū)域。焊接時，只有部分組織轉變?yōu)閵W氏體，冷卻后獲得細小的鐵素體和珠光體，其余部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學性能也較差。4)再結晶區(qū)。如果母材焊前經(jīng)過冷加工變形，溫度在Ac1～450℃之間，則有再結晶區(qū)，反之，則沒有。該區(qū)域金屬的力學性能變化不大[4]。

(1焊縫區(qū)；2熔合區(qū)；3過熱；4正火；5部分相變區(qū)；6再結晶)圖15 焊接接頭圖示意圖

3.2 斷裂位置的金相組織分析

表1中各個拉伸實驗的斷裂位置基本都發(fā)生在熔合線或者熱影響區(qū)，少部分由于焊接工藝不好或者焊劑選材不好，發(fā)生在焊縫。由圖2可以看到，本文X65拉伸試樣的斷裂位置位于焊縫和母材相連的過渡區(qū)，但斷口形狀并不規(guī)則，呈鋸齒狀，裂縫則延伸到了焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材。拉伸斷口中存在大量韌窩和少量孔坑，為宏觀塑性的微孔聚集型斷裂。

本文實驗中，斷裂發(fā)生在焊縫和母材的過渡區(qū)域，是有合理原因的。首先，焊縫金屬是由焊絲和母材熔化形成的熔池冷卻而成。焊縫金屬在結晶時，以半熔化的金屬晶粒為晶核，沿著垂直于散熱面方向反向生長為柱狀晶，當這些柱狀晶在焊縫中心相接觸時停止生長。從圖中可以看到，焊縫含有針狀鐵素體組織，這使得焊接接頭具有良好的韌性。且焊縫組織較均勻，含缺陷少。另外，由于焊絲本身的雜質含量低及合金化作用的原因，使得焊縫化學成分優(yōu)于母材，力學性能高于母材，故不易被拉斷。本文拉伸實驗中，斷裂位置未在焊縫，也證明了焊縫具有足夠高的抗拉伸斷裂能力[5]。

據(jù)相關研究得知熱影響區(qū)附近的裂紋一般起源于焊接時液固交界的地方，即熔合區(qū)和熱影響區(qū)。而本文實驗中的斷裂區(qū)域，覆蓋了熔合區(qū)和熱影響區(qū)，也印證了這個理論。

從圖9中也可以看到，熔合區(qū)的晶粒粗大，為粗大的貝氏體粒，在前文中可以看到，熱影響區(qū)和熔合區(qū)有著組織和成分分布復雜、晶粒粗大、晶粒間結合力弱等特點，因此力學性能差，最容易產(chǎn)生裂紋，過渡區(qū)顯微組織的不均勻和微小變化又進一步導致裂紋的擴展，最終導致試樣開裂。這也直接導致韌性下降，力學性能不好，容易導致開裂。

可以看到，在其它大量的拉伸實驗中，斷裂位置一般也容易發(fā)生在焊縫和母材連接的區(qū)域，有可能是熔合區(qū)，有可能是熱影響區(qū)，也有可能是相鄰的母材區(qū)域，這與焊縫母材過渡區(qū)的顯微組織特點是有很大關系的[6]。

3.3 夾雜物分析

由圖11中可以看到有B類超尺寸夾雜物的存在，由于夾雜物出現(xiàn)在熱影響區(qū)附近，推測夾雜物的存在，也會也會影響材料性能，導致產(chǎn)生裂紋和斷裂。

在焊接過程中，經(jīng)常出現(xiàn)夾雜和氣孔。夾雜和氣孔不但削弱了焊縫的有效截面，降低焊縫的強度和韌性，還會產(chǎn)生應力集中，對材料強度產(chǎn)生不利影響，所以在鋼管生產(chǎn)過程中應盡量避免或減少。

氣孔是焊接過程中焊接產(chǎn)生的氣體或者外部的氣體進入熔池，氣體上浮速度小于熔池凝固速度，因而氣體被凝固的金屬包裹，形成氣孔[7]。

夾雜的產(chǎn)生主要有兩個來源，一個是鋼板攜帶的雜物或者焊劑中的雜質，由于熔池冷卻速度過快或溫度低，來不及析出而形成。一個是熔池冶金反應中生成的氧化物和硫化物顆粒，由于結晶過程凝固較快，來不及浮出而殘存于焊縫內(nèi)部，比如FeS、MnS、SiO2等，它們呈彌散狀態(tài)分布，以呈片狀或鏈狀析集于晶界，促生熱裂紋，降低韌性，對焊縫的危害較大。

另外，焊縫中的偏析也可以導致裂紋，熔池在結晶過程中，冷卻速度過快會造成焊縫金屬中的元素來不及擴散，從而造成化學成分分布不均勻，這種溶質元素的不均勻分布稱為偏析。焊縫中的偏析主要有顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析等。晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學成分不均勻被稱為顯微偏析，通常合金元素含量越高就越容易出現(xiàn)。焊縫中心的雜質高于其它部位稱為區(qū)域偏析，一般而言，窄而深的焊縫區(qū)域偏析會比較嚴重，且容易產(chǎn)生熱裂紋。層狀偏析是指柱狀結晶方向上雜質濃度的差別[8]。

正是由于焊縫及周圍夾雜、氣孔、偏析、未焊透等缺陷的存在，使得焊接接頭的疲勞強度低于母材，焊接接頭的焊縫及與母材相連接處容易發(fā)生破壞，從這個角度也可以解釋本文拉伸試樣斷裂在過渡區(qū)的原因。

為了減少雜質，偏析等缺陷，可以從清理干凈油污鐵銹，控制焊接熱量、選擇適當焊接速度、調節(jié)焊道的寬度和深度、提高冷卻速度以防止雜質聚集等方面入手[9]。

4 焊接接頭斷裂處的強度及位置分析

4.1 塑性變形引起的強度升高

在本文實驗數(shù)據(jù)中，焊接接頭的強度大于母材強度，從力學角度分析，鋼板在制管的過程中，或在焊接之前的卷曲過程中，會有塑性變形。而在之后的在定徑的過程中，焊縫和母材連接處屬于過渡區(qū)域，最易出現(xiàn)較大變形，從而引起加工硬化。加工硬化指金屬材料隨著冷變形程度的增加，導致晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生殘余應力，強度和硬度指標提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。因此這種加工硬化也可能導致焊接接頭強度的升高。

在鋼管擴徑時，如果沒有將焊縫放進擴徑槽中，導致在擴徑時應力應變向接頭過渡處聚集，由于包辛格效應，使鋼管的強度上升，韌性下降，這也是焊接接頭強度大于母材試樣強度的原因之一[10]。

4.2 應力集中導致的斷裂

焊接接頭的焊縫形狀會產(chǎn)生結構的不連續(xù)性，容易引起不同的應力分布。在焊縫表面與母材交界處，即焊趾處，最容易引起應力集中。在應力作用下，容易形成裂源，萌生顯微裂紋，進而裂紋尖端形成三向應力區(qū)，擴展最后成為宏觀裂紋，導致斷裂[11]。

在焊接過程中，局部加熱會造成溫度場不均勻，且不同組織比熱容不同，容易引起局部塑性變形，導致在焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生焊接應力。根據(jù)相關分析，焊縫和熱影響區(qū)殘余應力較大，離開焊縫和熱影響區(qū)則殘余應力逐漸降低。

在高匹配強度下，隨著焊縫強度升高，熱影響區(qū)縱向應力增加，以至于高于母材強度。因此，焊縫材料強度過大，會產(chǎn)生較大的殘余應力，而過高的焊縫強度會導致熱影響區(qū)應力增加，出現(xiàn)裂紋的風險增大。

另外，焊縫和母材交接的地方，處于焊縫高強度向母材低強度過渡的區(qū)域，在拉伸過程中，會導致局部強度的不均勻，從而導致斷裂容易發(fā)生在此區(qū)域。

5 結 論

1)在高匹配強度設計的焊接接頭斷裂實驗中，由于焊劑選材、焊接后金相組織和力學結構等方面的差異，焊縫拉伸強度會高于純母材。

2)在焊接熱循環(huán)作用下，管線鋼的熔合區(qū)及焊縫熱影響區(qū)常發(fā)生組織晶粒粗大和韌性下降，容易造成焊接接頭開裂。因此，焊接接頭斷裂位置一般位于焊縫向母材的過渡區(qū)。

3)為了提高焊接接頭的力學性能，充分的焊接性能研究和合理的焊接工藝規(guī)范很重要。例如，預熱時對冷卻速度和保溫停留時間進行控制，可減小焊接應力；由于焊接電流與熔池溫度成正比，電流大小決定了焊縫力學性能，可以適當調整焊接電流參數(shù)，以期得到均勻大小的焊縫晶粒，提高焊縫性能；通過調整均熱區(qū)寬度，加熱區(qū)寬度和保溫區(qū)寬度這三個參數(shù)，進行合理的焊后熱處理，消除焊接殘余應力[12]。

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FractureStrengthandLocationAnalysisofWeldedJointSpecimen

ZHANGHuajia1,LINa1,CHENKang2,FANWei1,MOZixiong1,ZHANGShuxin1,RENJicheng1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an,Shaanxi710077,China；2.AnhuiElectricPowerEngineeringSupervisionCo.Ltd.,Huaibei,Anhui235000,China)

Taking the X65 LSAW as example, lots of experimental data of welded joint specimens and parent metal specimens is used for statistical analysis. Some mechanical and metallurgical experiments are conducted to further discuss, and the reasonable explanation is given. According to the research result, it is concluded that the fracture location of the welded joint specimens is located in the transition zone, which is related with the microstructure and poorer mechanical properties of the fusion zone and heat affected zone. Due to heat treatment during or after the welding and the work hardening，no matter where the fracture happens, the strength of the welded joint is generally greater than that of the parent metal.

weld matching; pipeline steel; strength; heat affected zone; fracture

張華佳，男， 1984年生，2010年畢業(yè)于中國石油大學(北京)材料學專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管檢測及研發(fā)工作。E-mail：313339790@qq.com

TE921

B

2096-0077(2017)04-0014-07

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.005

2017-04-10編輯馬小芳)