預(yù)熱及保溫對嚴寒環(huán)境X80鋼管道全自動外焊焊縫組織與性能的影響

汪宏輝 董淑磊 錢建康 湯克剛 王志航 秦熙琨 雷正龍

1.中石化江蘇油建工程有限公司，揚州，225009 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱，150001

0 引言

油氣資源是國家工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，是國民經(jīng)濟的命脈。為了滿足油氣境內(nèi)運輸與進出口需求，催生了能源輸送相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與研究，其中管道運輸以其安全可靠、經(jīng)濟高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，已成為世界各地石油與天然氣運輸?shù)闹饕緩絒1-3]。X80管線鋼作為一種高性能管線鋼，具有強度高、耐蝕性好、綜合成本低等優(yōu)勢，目前已被廣泛應(yīng)用于我國長距離油氣管道運輸建設(shè)[4-5]。

焊接是油氣管道的主要連接方式[6]。在管道的鋪設(shè)過程中，由于油氣管道跨度大，分布范圍廣，且施工周期長，不可避免地會在冬季施焊，因此在許多高緯區(qū)域(如新疆、黑龍江等地)將面臨低溫嚴寒環(huán)境下的X80管線鋼焊接問題，在一些區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)-40 ℃的極寒低溫[7]。在低溫條件下焊接過程的穩(wěn)定性較差，電弧燃燒不穩(wěn)定，且更易出現(xiàn)氣孔及裂紋等焊接缺陷，嚴重威脅工程安全，如何在嚴寒環(huán)境下保證焊接質(zhì)量，是管建工程中的重要研究環(huán)節(jié)。

李建軍等[8]研究了X60鋼在-20 ℃低溫下焊接接頭的組織與性能，發(fā)現(xiàn)在該溫度下接頭區(qū)域沒有出現(xiàn)淬硬組織，熱影響區(qū)性能符合技術(shù)標準。肖曉華等[9-10]對比了X80鋼在-10 ℃與-20 ℃下焊條電弧焊接的接頭組織與性能，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下焊縫冷卻速度快，焊縫的韌性變差。預(yù)熱是焊接中常用的工藝，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱條件可以提高焊接過程的穩(wěn)定性，減少缺陷并提高接頭性能[11-12]。TURICHIN等[13]針對X80鋼的激光-電弧復(fù)合焊接研究了預(yù)熱溫度對冷卻速度和接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱可減緩焊接后焊縫的冷卻速度，對焊接質(zhì)量的提高有顯著影響。COOPER等[14]分別在室溫、100 ℃、160 ℃這3種預(yù)熱溫度下對X80鋼進行了焊接，研究了不同預(yù)熱措施對焊接質(zhì)量和組織性能的影響，試驗結(jié)果均滿足技術(shù)標準。

目前有關(guān)在嚴寒(-29.9～-20 ℃)及酷寒(-39.9～-30 ℃)環(huán)境下X80鋼焊接方面的研究報道較少，對預(yù)熱和保溫在低溫焊接中產(chǎn)生的效果和作用機理尚未進行系統(tǒng)的分析，且已有的低溫焊接研究多建立在實驗室低溫模擬條件下，可通過對焊材降溫來模擬低溫條件，但難以實現(xiàn)全焊接環(huán)境的低溫，這與實際焊接及應(yīng)用情況仍有一定的差異。由此，結(jié)合實際工程需要，通過真實工程環(huán)境下的試驗，本文針對嚴寒環(huán)境下預(yù)熱及保溫措施對大口徑X80鋼電弧自動焊接質(zhì)量的影響展開研究，分析了不同預(yù)熱和保溫溫度對接頭組織與性能的影響，揭示了預(yù)熱對嚴寒環(huán)境焊接的作用機理。

1 試驗材料與方法

試驗?zāi)覆臑閄80管線鋼，母材管徑為1219 mm，壁厚為22 mm。所用的焊絲為美國林肯電氣公司生產(chǎn)的80Ni1低氫焊絲，焊絲直徑為1 mm，母材與焊絲的主要合金成分見表1。焊絲中w(Si)顯著高于母材的w(Si)，這有助于改善焊接過程中液態(tài)金屬的流動性，從而可充分填充焊縫。

表1 試驗用材料合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of alloy for test (mass fraction)

試驗采用熔化極惰性氣體保護電弧焊，焊接接頭采用復(fù)合型坡口對接接頭，對接間隙不大于0.5 mm，并在背面使用銅襯墊作為焊接襯墊，坡口形式如圖1所示。為了同時實現(xiàn)環(huán)境溫度與材料溫度的低溫狀態(tài)，試驗在冬季的黑河地區(qū)進行，實測環(huán)境溫度為-30.5 ℃。試驗使用法國SERIMAX公司生產(chǎn)的全自動焊接設(shè)備，試驗前焊接設(shè)備與材料已在低溫環(huán)境中預(yù)置24 h。將兩根鋼管對接裝配并安裝銅襯墊，焊接前使用電感應(yīng)加熱對母材與焊絲進行預(yù)熱，試驗所采用的預(yù)熱溫度分別為100 ℃ 和150 ℃，并設(shè)置一組無預(yù)熱及保溫措施的對照組。共進行11層12道焊接，包括根焊、填充焊與蓋面焊，其中蓋面焊1層2道，焊接過程中控制層間溫度與預(yù)熱溫度一致。進行了預(yù)熱的試驗組完成焊接后持續(xù)保溫，使焊接接頭緩慢冷卻，而無預(yù)熱的對照組完成焊接后不采取保溫措施，在低溫環(huán)境中直接空冷。

圖1 焊接坡口形式Fig.1 Welding groove form

焊接后，從已經(jīng)達到穩(wěn)定的焊縫中部位置沿垂直焊縫方向截取金相試樣，并按照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 4109—2013加工制備了拉伸試樣與夏比沖擊試樣。將截取的試樣分別在400目、600目、800目、1000目、1200目金相砂紙上依次打磨后，采用顆粒粒度為 1.5 μm 的金剛石拋光劑拋光試樣至呈現(xiàn)光潔鏡面，使用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液對金相試樣進行腐蝕后，使用OLYMPUS GX71正置式超景深光學(xué)顯微鏡和美國 FEI 生產(chǎn)的場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡 Quanta 200FEG-SEM型掃描電子顯微鏡對接頭的微觀組織進行觀察與分析。分別使用WEW2000萬能拉伸試驗機及CBD300沖擊試驗機測試試樣的抗拉強度與-40 ℃低溫沖擊性能。用維氏硬度計分別在焊縫、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)進行維氏硬度測量。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 預(yù)熱及保溫對焊接質(zhì)量的影響

在焊接過程中，如圖2a所示，無預(yù)熱組出現(xiàn)了焊槍熄弧、液態(tài)金屬鋪展不良及劇烈飛濺等問題；進行了預(yù)熱及保溫措施后的焊接過程如圖2b所示，可以看到焊接時飛濺較小，電弧穩(wěn)定。在不同預(yù)熱及保溫條件下焊接得到的焊縫表面均未觀察到咬邊、未熔透缺陷，采用單壁單影對各組環(huán)焊縫進行了X光檢測：在無預(yù)熱措施的空冷焊接接頭中，探測到兩段長度為10 mm的焊縫內(nèi)有連續(xù)密集氣孔分布，屬于Ⅱ級焊縫；施加了預(yù)熱及保溫措施的兩組接頭經(jīng)X光檢測，均無顯著氣孔、裂紋缺陷，達到了Ⅰ級焊縫標準。

(a) 無預(yù)熱

預(yù)熱及保溫對焊接穩(wěn)定性和焊縫內(nèi)部的氣孔分布均產(chǎn)生了影響，這是由于當(dāng)不施加預(yù)熱與保溫措施時，一方面，周圍環(huán)境及低溫試件與劇烈受熱熔化后的金屬液體間形成了巨大的溫差，液體急劇冷卻，凝固時間短，且隨著熔池溫度降低，液體黏度增大，缺乏足夠的驅(qū)動力與時間在金屬表面充分鋪展；另一方面，由于試件整體處于-30 ℃左右的低溫狀態(tài)，使得焊接時被高溫電弧瞬時加熱的空氣中的水分接觸到試件后凝結(jié)，這會影響焊接的穩(wěn)定性并向接頭中引入了H、O元素，進而可能形成不溶于液態(tài)金屬的氣體，在短暫的凝固時間內(nèi)無法及時從熔池中析出，從而形成氣孔缺陷，在快速冷卻產(chǎn)生的強內(nèi)應(yīng)力的作用下甚至導(dǎo)致產(chǎn)生氫脆與冷裂紋缺陷，嚴重危害焊接質(zhì)量與安全[15]。而采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱及保溫措施，可避免上述問題的出現(xiàn)，從而提高了焊接穩(wěn)定性，減少了凝固后焊縫內(nèi)部氣孔缺陷的形成。

因此，合適的預(yù)熱與焊后保溫溫度對嚴寒環(huán)境下的焊接有著重要意義，有利于提高焊接過程的穩(wěn)定性、減少焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。但是預(yù)熱溫度并非越高越好，一方面，過高的預(yù)熱溫度可能使接頭的組織惡化，影響力學(xué)性能；另一方面，高溫預(yù)熱及保溫會增加施工時長，從而會降低焊接效率以及提高成本。

2.2 預(yù)熱溫度對接頭顯微組織的影響

接頭宏觀形貌如圖3所示，可以清晰地區(qū)分出焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)，并有較為明顯的層間界線，屬于典型的多層多道熔焊接頭。母材的組織以針狀鐵素體為主，又稱作粒狀貝氏體，其形狀不規(guī)則且晶界模糊，沒有完整連續(xù)的晶界，尺寸參差不齊，彼此交錯分布，在鐵素體上彌散分布著細小的島狀M/A組元。這種組織具有高密度的位錯與細小的亞結(jié)構(gòu)，使得X80鋼在具有較高強度的同時，又具備了良好的沖擊韌性[16]。

(a)接頭形貌(b)母材顯微金相形貌(c)母材SEM組織形貌

圖3 焊接接頭宏觀形貌及母材微觀組織
Fig.3 Macroscopic appearance of welded joint andmicrostructure of base metal

不同預(yù)熱與保溫條件下的焊縫蓋面層組織如圖4所示，不同預(yù)熱條件下的蓋面層組織均以柱狀晶為主，且未進行預(yù)熱與保溫的蓋面層中的柱狀晶晶界更加平直。這是因為蓋面層處于接頭焊縫的最上層，是焊接的最后一道熔池，不經(jīng)受其他焊道焊接產(chǎn)生的熱作用影響，且蓋面層與嚴寒環(huán)境下的空氣直接接觸，在大過冷度下固液界面快速推進，形成粗大的柱狀晶，而保溫下熔池邊界與熔池中心間的溫度梯度較為緩和，熔池凝固過程相對緩慢，因此晶粒在溫度分布的影響下呈現(xiàn)出不同程度的彎曲。3組接頭的組織主要為針狀鐵素體，沿晶界分布著部分先共析鐵素體，且在高預(yù)熱與保溫溫度下焊接時，由于高溫停留時間長，故焊縫冷卻速度相對較慢，組織中的先共析鐵素體的數(shù)量更多[17]。

填充層是接頭的主要組成部分。如圖5所示，填充層中晶粒的形態(tài)較蓋面層未發(fā)生明顯變化，整體表現(xiàn)為細小的等軸晶與較為粗大的柱狀晶呈層狀交替分布。層與層間仍以柱狀晶為主，晶粒從熔池邊緣處指向焊縫中心生長，且對比圖5a～圖5c可見，隨著預(yù)熱溫度的升高，柱狀晶與焊縫中心線的夾角角度增大，這是由于柱狀晶往往沿著散熱速度最快的方向生長，在低溫下，熔池深度方向的溫度梯度大，晶粒沿著熔池與空氣的換熱界面方向快速生長，晶界與焊縫中心線近乎平行，而隨著預(yù)熱與保溫溫度的升高，熔池深度方向的溫度梯度減小，液態(tài)金屬緩慢凝固，形成近似呈“八”字對稱分布的柱狀晶。同時，填充層散熱能力相對較弱，使得晶粒生長的彎曲程度相比蓋面層受到預(yù)熱與保溫溫度的影響更加顯著，這也使得較高預(yù)熱溫度下鄰近晶粒的結(jié)晶前沿在生長過程中更容易相遇，從而形成新的結(jié)晶源頭，因此高保溫溫度下形成的柱狀晶的長度相對較短，晶粒數(shù)量相對更多，有效地增大了單位面積上的晶界密度，可以改善局部的強度與韌性。結(jié)合圖5中的顯微形貌與SEM形貌，不同工藝下填充層組織均主要為針狀鐵素體，在晶界附近也分布著一定數(shù)量的先共析鐵素體，并存在部分羽毛狀的魏氏組織，其中魏氏組織內(nèi)部位錯密度較大，難以滑移變形，強度較高但韌性較差[18]。魏氏組織的形成對冷卻速率十分敏感，當(dāng)過熱的熔池以較快的速度冷卻時，部分先共析鐵素體沿一定的方向呈針片狀析出從而形成魏氏組織，因此當(dāng)不采用預(yù)熱及保溫措施時，焊接熔池直接暴露在嚴寒環(huán)境下會快速冷卻，并形成粗大的魏氏組織；隨著預(yù)熱與保溫溫度的升高，熔池冷卻速度降低，弱化了在組織中形成魏氏體的條件，魏氏組織數(shù)量隨之減少，而先共析鐵素體受高溫停留時間延長影響，其尺寸與占比均有所增大。

(a) 無預(yù)熱的顯微形貌

根焊層及熱影響區(qū)微觀組織如圖6所示。在保證層間溫度與預(yù)熱溫度相一致的情況下，根焊層與填充層在焊接過程中所處的環(huán)境相似，均經(jīng)受后續(xù)焊道焊接時的熱循環(huán)影響，因此二者的組織形態(tài)基本一致，主要為針狀鐵素體與沿晶界分布的先共析鐵素體，受預(yù)熱與保溫溫度的影響也與蓋面層的情況相近，先共析鐵素體占比和尺寸均隨保溫溫度升高而增大。但由于根焊層的熱積累較少，高溫停留時間較短，因此在根焊層的組織中并沒有出現(xiàn)明顯的魏氏組織；相比填充層，根焊層的溫度梯度也較為緩和，即使是嚴寒條件下凝固形成的晶粒也沒有呈現(xiàn)出明顯的平直柱狀晶界，這意味著相比填充層，根焊層的韌性更佳。臨近熔合線的熱影響區(qū)內(nèi)粗晶區(qū)的晶粒粗大，組織以粒狀貝氏體與板條貝氏體為主，使得該區(qū)域容易呈現(xiàn)淬硬特征，硬度較高而塑韌性差，易成為沖擊動載下的薄弱區(qū)域，嚴寒環(huán)境下焊接的熱影響區(qū)內(nèi)板條貝氏體的密度與尺寸增大[19]。對比母材組織，粗晶區(qū)以外的熱影響區(qū)整體組織變化不大，其中細晶區(qū)的組織得到了一定的細化，第二相粒子的溶解形成了細小的先共析鐵素體，將具有較好的力學(xué)性能[20]。隨著保溫溫度的升高，先共析鐵素體的數(shù)量和體積有所增加，M/A組元的數(shù)量減少。對比3組試驗的熱影響區(qū)，當(dāng)采用100 ℃預(yù)熱溫度時，熱影響區(qū)的組織分布更加均勻，而當(dāng)加熱溫度升高至150 ℃時，熱影響區(qū)晶粒顯著長大且大小不均勻，這將對接頭性能帶來弱化影響。

(a) 無預(yù)熱的根焊層顯微形貌

2.3 預(yù)熱溫度對接頭性能的影響

由于填充層金屬是焊縫的主要部分，是反映接頭性能的主要載體，因此在各試樣中部填充層區(qū)域進行硬度測量，分別對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)與母材進行了測量，得到了不同預(yù)熱與保溫溫度下焊接接頭的硬度隨打點位置的分布如圖7所示。由圖7可以看出，同一接頭的熱影響區(qū)在不同位置處的硬度存在較大差異，焊接接頭硬度的極大值與極小值都出現(xiàn)在熱影響區(qū)內(nèi)，越靠近熔合線，測得的硬度值越大，在細晶區(qū)的硬度值最小，這與熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、細晶區(qū)(完全重結(jié)晶區(qū))與不完全重結(jié)晶區(qū)的組織與性能相對應(yīng)；焊縫的硬度極大值略低于熱影響區(qū)的硬度極大值，且稍高于母材的最大硬度值，這與焊縫區(qū)的組織與晶粒分布情況相符。對比不同預(yù)熱與保溫溫度下的接頭硬度分布可以看出，母材硬度基本一致，而隨著溫度的升高，接頭各區(qū)域的硬度值整體有所減小，一方面，嚴寒環(huán)境下直接焊接時冷卻速度快，更易得到淬硬性高的組織，而高保溫下的接頭出現(xiàn)了一定的軟化趨勢；另一方面，保溫溫度較高時晶粒易在熱作用下發(fā)生晶粒與相的粗化，也會導(dǎo)致顯微硬度降低，這與金相組織結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果相一致。

圖7 不同預(yù)熱溫度下接頭維氏硬度分布Fig.7 Vickers hardness distribution of joint under different preheating temperature

不同預(yù)熱及保溫條件下焊接得到的X80鋼接頭的拉伸試驗結(jié)果如表2所示。各組試樣均斷裂在母材，且在斷裂位置均發(fā)生了明顯的頸縮，符合延性斷裂的典型特征。當(dāng)預(yù)熱及保溫溫度為100 ℃時，接頭的抗拉強度最高，相比無預(yù)熱接頭的抗拉強度提高了2.5%，而當(dāng)預(yù)熱及保溫溫度進一步升高至150 ℃時，接頭抗拉強度迅速降低，相比預(yù)熱100 ℃的接頭降低了7.2%。結(jié)合X射線檢測與宏觀金相分析，各組試樣內(nèi)均無明顯的焊接缺陷，因此在接頭內(nèi)部無明顯裂紋與氣孔缺陷的情況下，不會出現(xiàn)因內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致抗拉強度下降的情況，接頭的抗拉強度由組織決定。嚴寒環(huán)境下直接焊接的接頭由于冷卻速度快而形成了淬硬組織，因此接頭強度較高；預(yù)熱100 ℃時，熱影響區(qū)的組織分布較為均勻，強度略有提高；預(yù)熱150 ℃時，高溫停留時間長，先共析鐵素體在組織中占比增大，熱影響區(qū)晶粒顯著粗化，使得接頭的抗拉強度顯著降低。

表2 不同預(yù)熱溫度下接頭拉伸強度試驗結(jié)果Tab.2 Tensile strength test results of joints under different preheating temperatures

對不同預(yù)熱及保溫條件下焊接得到的接頭的焊縫和熱影響區(qū)分別制備了夏比試樣，并進行了-40 ℃下的低溫沖擊試驗以檢驗接頭的低溫沖擊韌性，得到的嚴寒環(huán)境下X80鋼焊接接頭的低溫沖擊性能如表3所示，由于CBD300沖擊試驗機在-40 ℃低溫下沖擊功的上限為300 J，因此可以推測無預(yù)熱及預(yù)熱100 ℃下接頭熱影響區(qū)的實際低溫沖擊功應(yīng)高于300 J。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，熱影響區(qū)具有良好的低溫沖擊韌性，顯著優(yōu)于焊縫區(qū)域，這是由于熱影響區(qū)域夏比試樣的缺口區(qū)域主要由細晶區(qū)與不完全重結(jié)晶區(qū)組成，根據(jù)對熱影響區(qū)顯微組織的分析，其組織與母材的組織差異較小，且部分晶粒得到了細化，表現(xiàn)出的沖擊韌性與細晶區(qū)及不完全重結(jié)晶區(qū)的組織分析結(jié)果相對應(yīng)，進一步印證了預(yù)熱及保溫對熱影響區(qū)的沖擊韌性影響較?。欢鞴に嚄l件下的焊縫區(qū)域均分布著一定數(shù)量的魏氏組織，嚴重減弱了焊縫的韌性，使得焊縫表現(xiàn)出的沖擊功顯著低于熱影響區(qū)的沖擊功。對比不同預(yù)熱及保溫溫度下的數(shù)據(jù)，可見預(yù)熱及保溫溫度主要影響焊縫區(qū)域的低溫韌性，在所采用的預(yù)熱與保溫條件下，預(yù)熱及保溫溫度的提高改善了焊縫區(qū)域的低溫沖擊韌性。組織的種類及大小是焊縫區(qū)域沖擊韌性的決定性因素，在低溫下焊接后，焊縫中形成了更多硬度較高、韌性較差的組織，因此無預(yù)熱及保溫措施下施焊的焊縫表現(xiàn)出了更差的沖擊韌性。當(dāng)預(yù)熱到150 ℃時熱影響區(qū)的沖擊功有所降低，這可能與高保溫導(dǎo)致的熱影響區(qū)晶粒粗化有關(guān)，接頭韌性與其顯微組織特征相對應(yīng)。

表3 不同預(yù)熱溫度下接頭低溫沖擊功Tab.3 Low-temperature impact energy of joint under different preheating temperatur

3 結(jié)論

(1)在嚴寒低溫環(huán)境下進行大直徑的X80鋼厚壁管道焊接時，采用焊前預(yù)熱與焊后保溫措施可以減少焊槍熄弧、液態(tài)金屬鋪展不良及劇烈飛濺等問題，有效提高了焊接穩(wěn)定性。嚴寒環(huán)境下直接焊接時接頭中易產(chǎn)生氣孔缺陷，預(yù)熱及保溫措施可以有效減少氣孔缺陷，提高焊接質(zhì)量。

(2)在-30 ℃嚴寒環(huán)境下焊接獲得的X80鋼焊縫的顯微組織主要由先共析鐵素體、針狀鐵素體和M/A組元組成，在填充層中出現(xiàn)了少量的魏氏組織。焊縫晶粒以柱狀晶為主，晶粒大小不均勻，柱狀晶的寬度隨保溫溫度的升高有所增大。

(3)在嚴寒環(huán)境下采用不同的預(yù)熱及保溫措施獲得的X80鋼焊接接頭的力學(xué)性能存在一定的差異。隨著預(yù)熱及保溫溫度的升高，焊接接頭的顯微硬度降低，焊縫區(qū)域的低溫沖擊韌性有所增強，抗拉強度先提高后降低，在預(yù)熱100 ℃時接頭抗拉強度最高。本實驗條件下預(yù)熱100 ℃時，接頭的強度最高且韌性較好，綜合性能最優(yōu)，且相比預(yù)熱150 ℃時的施工效率更高。