賴世強(qiáng) 王高見

摘要：研究了焊接電流對(duì)高等級(jí)X80專用高效氣體保護(hù)焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能和組織的影響，為自動(dòng)焊在高寒地區(qū)管道工程中的應(yīng)用及焊接工藝選擇提供基礎(chǔ)。結(jié)果表明：在150～250 A焊接電流下X80管線鋼焊絲（1.0）熔敷金屬均具有較好的強(qiáng)韌性;隨著焊接電流的增加，焊縫沖擊韌性有所降低，焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降4～5 J;焊縫組織以細(xì)小鐵素體為主，賦予材料優(yōu)良的強(qiáng)韌特性。

關(guān)鍵詞：焊接電流;X80管線鋼;熔敷金屬;性能

中圖分類號(hào)：TG444+.77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0121-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.25

0 前言

現(xiàn)代油氣管線正面臨著高壓輸送以及低溫、大位移、深海、酸性介質(zhì)等惡劣環(huán)境的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)管線工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，管線鋼及其焊縫要具有高強(qiáng)度、高低溫韌性、大變形性、厚壁、高抗腐蝕性和惡劣環(huán)境下的焊接性等[1]。目前，管線鋼主要采用高強(qiáng)度級(jí)別的X80微合金化控軋鋼、調(diào)質(zhì)鋼;管線鋼裝配焊接施工由傳統(tǒng)焊條電弧焊逐漸開始應(yīng)用更高效率的管道自動(dòng)焊技術(shù)[2];焊接材料由傳統(tǒng)的酸性與低氫型上向焊焊條向活性氣體保護(hù)焊用實(shí)心焊絲發(fā)展，目前以國(guó)外品牌為主;許可施焊環(huán)境溫度也由過去的 5 ℃以上逐步推向-20 ℃的低溫甚至極限的-50 ℃環(huán)境低溫，對(duì)焊接及焊縫性能要求更高[3-4]。

眾所周知，焊接材料及焊接電流對(duì)整個(gè)焊接接頭的組織和性能起著決定性作用，而目前關(guān)于高等級(jí)X80專用高效氣體保護(hù)焊絲滿足現(xiàn)代油氣管線的高強(qiáng)、高低溫韌性等高性能適應(yīng)性的研究以及焊接電流對(duì)其影響的研究并不多。基于此，文中開展焊接電流對(duì)X80管線鋼高效氣體保護(hù)焊絲熔敷金屬力學(xué)性能和組織的影響研究，為自動(dòng)焊在高寒地區(qū)管道工程中的應(yīng)用及焊接工藝選擇提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試板焊接

按照GB/T 8110制備熔敷金屬試板，試驗(yàn)?zāi)覆臑镼345，板厚20 mm，母材坡口面和墊板面用試驗(yàn)焊絲焊接隔離層，試板由氣體保護(hù)焊多層多道焊焊接而成。焊絲采用西冶新材料X80管線鋼專用焊絲，直徑1.0 mm，焊絲化學(xué)成分如表1所示;保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，分別采用150 A、200 A、250 A三種焊接電流進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)如表2所示。

1.2 試樣制備

焊接后按GB/T 8110-2008截取拉伸試樣和沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）;用微機(jī)電子控制萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT5305）對(duì)試樣按GB/T 2652進(jìn)行拉伸試驗(yàn);沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650在JBW-500B擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)定-30 ℃、-50 ℃低溫沖擊吸收功。金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后用3%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，用DWJ倒置金相顯微鏡進(jìn)行觀察;最后利用KYKY2000掃描電鏡對(duì)沖擊斷口進(jìn)行分析。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1? 力學(xué)性能

不同焊接電流下的X80高等級(jí)管線鋼焊絲熔敷金屬力學(xué)性能如表3所示。

由表3可知，三種焊接電流下強(qiáng)度均滿足X80管線工程要求;焊接電流為150 A、200 A時(shí)強(qiáng)度變化不大;焊接電流為250 A時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低35～55 MPa，這是由于隨著焊接電流的提高，一方面焊縫合金元素?zé)龘p加大，另一方面焊接線能量增加，焊接熱循環(huán)在高溫停留時(shí)間增加，t8/5增加，焊縫組織有晶粒變大傾向，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

上述沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果表明，三種焊接電流下

-30 ℃、-50 ℃沖擊韌性分別大于100 J、70 J，具有較好的韌性水平;焊接電流對(duì)X80 管線鋼焊絲熔敷金屬的韌性有較大影響，在150～250 A范圍內(nèi)，隨著焊接電流的提高，沖擊韌性有所降低;焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降4～5 J。因此，為保證自動(dòng)焊在高寒地區(qū)X80管道焊接工程中的應(yīng)用，推薦焊接電流應(yīng)不高于250 A，優(yōu)選200 A以下。

2.2 金相組織分析

三種焊接電流下的焊縫組織如圖1所示。在不同焊接電流條件下，焊縫組織會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

由圖1可知，末道焊縫組織呈現(xiàn)白色先共析鐵素體沿柱狀晶分布，無碳貝氏體沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)有針狀鐵素體、粒狀貝氏體和珠光體;隨著焊接電流的增加，由于冷卻速率的降低，末道焊縫晶粒有粗化的傾向，枝狀晶尺寸增大，多邊形鐵素體的比例增大。層間區(qū)焊縫組織由白色細(xì)小鐵素體、黑色珠光體和少量貝氏體組成，賦予材料優(yōu)良的強(qiáng)韌特性;隨著焊接電流的增加，層間區(qū)焊縫組織有晶粒變大傾向但不明顯。細(xì)小的鐵素體的獲得是焊絲中的Ti以TiO2形式存在于焊縫中在固態(tài)相變時(shí)成為鐵素體的形核核心，從而增加了焊縫金屬中晶內(nèi)鐵素體含量并起到細(xì)化作用。

2.3 斷口掃描分析

（1）斷口宏觀形貌分析。#、2#、3#三種焊接電流下焊縫沖擊斷口宏觀形貌如圖2所示。從宏觀形貌上看，三種焊縫放射區(qū)完全消失，只存在下纖維區(qū)和剪切唇[5];纖維區(qū)呈現(xiàn)凹凸較顯著的灰色纖維狀形貌;表明三種焊縫均具有較大的塑韌度性[6];在1#和2#中兩側(cè)剪切唇占相當(dāng)大的比例，與其沖擊功較高有良好的吻合。

（2）斷口微觀形貌分析。不同焊接電流下的焊縫沖擊斷口掃描電鏡微觀形貌如圖3所示。可以看出，在三種焊接電流下焊縫的沖擊斷口微觀形貌呈韌窩+準(zhǔn)解理的混合斷裂特征，1#焊縫斷口存在大量小韌窩集聚而成的較大尺寸的韌窩，韌窩所占比例較大;2#焊縫斷口韌窩所占比例變少，多存在于撕裂棱上，撕裂棱粗大;3#焊縫解理臺(tái)階明顯，在撕裂棱處存在韌窩，韌窩所占比例更少，可見，在焊接電流過大時(shí)，解理臺(tái)階明顯，斷口韌窩撕裂特征變少，沖擊吸收功也相應(yīng)較少[7-8]。

3 結(jié)論

（1）采用三種不同的焊接電流（150 A、200 A、250 A），X80管線鋼專用焊絲熔敷金屬均具有較好的強(qiáng)韌性;隨著焊接電流的增加，焊縫沖擊韌性有所降低，焊接電流每提高10 A，-30 ℃及-50 ℃沖擊功下降低4～5 J。為保證在高寒地區(qū)X80管道焊接工程應(yīng)用，推薦焊接電流應(yīng)不高于250 A，優(yōu)選200 A以下。

（2）隨著焊接電流的增加，末道焊縫及層間區(qū)焊縫有晶粒粗化的傾向;末道焊縫晶內(nèi)存在大量針狀鐵素體，層間區(qū)焊縫組織以白色細(xì)小鐵素體為主，賦予材料優(yōu)良的強(qiáng)韌特性。

（3）三種不同的焊接電流下焊縫沖擊斷口宏觀形貌呈現(xiàn)放射區(qū)完全消失、只存在下纖維區(qū)和剪切唇，斷口微觀形貌呈明顯斷口韌窩撕裂特征，表明焊縫有較好的塑韌性。當(dāng)焊接電流過大時(shí)，斷口韌窩撕裂特征變少，沖擊吸收功相應(yīng)也相應(yīng)較少。

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