X100管線鋼的焊接冷裂紋敏感性分析

耿都都，嚴春妍，納學(xué)洋，曲 揚，楊順貞

（河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 前言

隨著各個國家對石油、天然氣需求量的增加，促進了管線工程的快速發(fā)展，相應(yīng)地增加了管線鋼的需求量。世界石油工業(yè)的發(fā)展及冶金技術(shù)的進步推動了管線鋼的快速發(fā)展。X100管線鋼是一種控軋控冷的低碳微合金化高強鋼，在具備高強度的同時，兼有良好的塑韌性。但是在焊接過程中，焊接粗晶熱影響區(qū)是焊接接頭最薄弱的地方之一，因為粗晶區(qū)組織粗大，晶界容易出現(xiàn)淬硬組織，且容易造成應(yīng)力集中，故冷裂紋在此處容易萌生并擴展，是造成這類管線鋼斷裂的嚴重缺陷之一。

在此研究了X100管線鋼的焊接冷裂紋敏感性，確定了X100管線鋼焊接時能防止冷裂紋的最佳預(yù)熱溫度范圍。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗使用X100管線鋼，板厚18.4 mm，供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)。X100鋼的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示，X100鋼的顯微組織如圖1所示。

表1 X100鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of X100 pipeline steel%

表2 X100鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of X100 pipeline steel

圖1 X100鋼的顯微組織Fig.1 Microscopic structure of X100 pipeline steel

1.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗

斜Y型坡口焊接裂紋試驗是一種較苛刻的焊接冷裂紋試驗方法，試驗方法簡便，是國際上采用較多的抗裂性試驗方法之一，亦稱“小鐵研”試驗。按照GB 4675.1-84《焊接性試驗斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的規(guī)定進行試驗。通過調(diào)整預(yù)熱溫度來研究預(yù)熱對X100管線鋼冷裂紋敏感性的影響。焊接試驗采用焊條電弧焊，焊接材料為低氫纖維素型焊條E9010-G，焊接熱輸入15 kJ/cm。

斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件加工如圖2所示。為防止組織發(fā)生變化，焊接坡口采用機械方法加工。試板兩端的拘束焊縫采用雙面焊，焊接時注意防止角變形和未焊透。保證中間待焊試樣焊縫處有2 mm間隙。本試驗在室溫和四組預(yù)熱溫度下進行，共五組。焊接時的環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為45%，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件加工Fig.2 Processing sample of Y-slit type cracking test

焊后靜置48 h后截取試樣進行裂紋檢測，用線切割方法在試驗焊縫上等分截取4~6塊試樣，檢查5個橫斷面上的裂紋深度，最后計算出斷面裂紋率Cs。裂紋檢測結(jié)果如表4所示。

表3 斜Y型坡口焊接試驗焊接工藝參數(shù)Tab.3 Processing parameters of Y-slit type cracking test

表4 斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果Tab.4 Experimental Y-slit type cracking test

由表4可知，在不同的預(yù)熱溫度下試驗焊縫的表面裂紋率均為0，而且僅在未預(yù)熱的情況下出現(xiàn)了少量的斷面裂紋。可以得出：雖然X100管線鋼的強度很高，但其冷裂敏感性較低，適當(dāng)?shù)靥岣哳A(yù)熱溫度能夠有效降低裂紋率。

1.3 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗

硬度是衡量材料軟硬程度的物理量，而硬度值是表征強度、韌性和形變強化等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)[2]。金屬材料的硬度值與強度之間具有近似的對應(yīng)關(guān)系。一般硬度值越大，強度越高。根據(jù)焊接熱影響區(qū)最高硬度可以相應(yīng)地評價材料的冷裂紋敏感性和淬硬傾向。按照GB 4675.5-84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》的規(guī)定進行試驗。

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗的試件形狀示意如圖3所示。

焊接試驗是在環(huán)境溫度25℃，相對濕度為45%，焊接電壓24 V，焊接電流175 A，焊接速度16 cm/min的條件下進行的。焊后不進行任何焊后熱處理，自然冷卻12 h后，取樣、磨制、腐蝕。然后測量并統(tǒng)計出不同預(yù)熱溫度下HAZ的最高硬度，結(jié)果如圖4和表5所示。

圖3 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗的試件形狀Fig.3 Shape of sample of maximum hardness test in HAZ

圖4 Hmax隨預(yù)熱溫度的變化曲線Fig.4 Curve of preheating temperature and Hmax

表5 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果Tab.5 Experimental results of maximum hardness test in HAZ

分析圖4和表5可知，Hmax隨著預(yù)熱溫度的升高先減小后增大。文獻[3]表明，為了保證X100管線鋼具有較好的抗裂性能，其焊接熱影響區(qū)最高硬度應(yīng)低于350HV。因此在實際的焊接操作中，適當(dāng)預(yù)熱且避免預(yù)熱溫度過高即可防止X100管線鋼冷裂紋的產(chǎn)生。

2 分析和討論

大量的文獻表明，CGHAZ是焊接接頭最薄弱的地帶之一，粗晶區(qū)的組織性能對研究焊接接頭具有重要意義[4]。在斜Y型坡口焊接裂紋試驗中，不同預(yù)熱溫度下焊接粗晶熱影響區(qū)的組織如圖5所示。

圖5 不同預(yù)熱溫度下焊接粗晶熱影響區(qū)的組織Fig.5 Microstructure of CGHAZ in different preheating temperature

未預(yù)熱時的CGHAZ組織如圖5a所示。由于冷卻速度大，組織形態(tài)多為從A晶界向內(nèi)平行生長的板條，并且在A晶界和板條間可見較大的塊狀或條狀M-A組元，此時還有一定數(shù)量的板條馬氏體，故淬硬性較大，出現(xiàn)了少量的斷面裂紋。

當(dāng)采用一定的溫度進行預(yù)熱時，隨預(yù)熱溫度升高，焊接接頭冷卻速率減小，組織淬硬性下降，粒狀貝氏體逐漸形成、增多，并且伴有細小的針狀鐵素體。組織特征為平行的板條，板條間有小角度晶界，M-A組元呈針狀或者薄膜狀分布在板條束界和板條晶界之間，組織硬度下降，故冷裂紋敏感性減小。

當(dāng)預(yù)熱溫度過高時（見圖5e），粗晶區(qū)晶粒粗大，使得奧氏體轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性增加、非平衡的低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物增多，因而冷卻后粗晶區(qū)形成少量上貝氏體。由于上貝氏體條間的碳化物易于萌生裂紋或成為裂紋擴展的通道，致使材料的韌性降低。又因為冷卻速度的降低，使粗晶區(qū)冷卻后出現(xiàn)少量塊狀鐵素體和珠光體，這種鐵素體+珠光體組織部分代替了針狀鐵素體，進一步降低了粗晶區(qū)韌性[5]。此時還可見粗大的呈塊狀或條狀的M-A組元，故粗晶區(qū)的硬度很高。這種低韌性高硬度的組織將會增加冷裂傾向，故應(yīng)盡量選擇適宜的預(yù)熱溫度，避免高溫預(yù)熱。

3 結(jié)論

（1）斜Y型坡口焊接裂紋試驗和焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗的結(jié)果表明，X100管線鋼冷裂紋敏感性并不是很大。

（2）隨著預(yù)熱溫度升高，熱影響區(qū)最高硬度Hmax不斷下降；當(dāng)預(yù)熱溫度高到一定值后，Hmax又會上升，所以在實際焊接操作中，采用適當(dāng)?shù)臏囟冗M行預(yù)熱能夠防止X100管線鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

[1]高惠臨.管道工程面臨的挑戰(zhàn)與管線鋼的發(fā)展趨勢[J].焊管，2010，33（10）：5-17.

[2]石德珂.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].西安：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]張君，牛輝.X100管線鋼冷裂敏感性研究[J].焊管，2012（11）：22-26.

[4]張驍勇，高惠臨，莊傳晶，等.焊接熱輸入對X100管線鋼粗晶區(qū)組織及性能的影響[J].焊接學(xué)報，2010，31（3）：29-32.

[5]李為衛(wèi).預(yù)熱溫度對X80管線鋼焊接熱影響區(qū)組織性能的影響[J].石油工程建設(shè)，2005，31（4）：10-12.