高強度管線鋼API X65 焊縫硬度分布及機理

鄔昌華 田洪志 沈一東（國核工程有限公司，上海 200233)

1 引言

隨著管道工業的蓬勃發展,特別是石油、天然氣長輸管線的發展,現在鋼鐵工業運用金屬學,冶金學等諸多科學理論方法和現代的生產工藝,研制出多種管線鋼,X65 就是其中一種優良高強度低合金鋼，該鋼突破傳統的C-Mn 合金化加正火的生產過程，在鋼中加入微量（不大于0.2%）Nb,V,Ti 等合金元素，并通過控扎工藝，使鋼的綜合性能得到很明顯的改善。但是由于焊接的原因，在焊縫熱影響區出現脆硬的薄弱環節，從而影響整個長輸管線的安全。本文通過采用低氫焊條LB-78VS，采用FCAW 方法對X65 管材接焊縫,在焊態下對焊縫不同區域進行硬度測試和晶相觀察，得出焊縫和熱影響區的硬度分布，以及焊接后續熱循環對焊縫硬度測和晶相的影響。為提高焊縫薄弱區域的綜合性能提供理論依據。

2 實驗工藝與試件

2.1 母材X65（日本產）化學成分

母材X65（日本產）化學成分見表1。

表1 X65 鋼材的化學成分

2.2 焊材LB-78VS 理化性能

焊材LB-78VS 理化性能見表2、表3。

表2 焊絲LB-78VS的機械性能

2.3 焊材LB-78VS 化學成分

焊材LB-78VS 化學成分見表3。

表3 焊絲LB-78VS的化學成分

3 焊接試件的制作及硬度試驗

3.1 距離母材表面1mm 位置試驗

圖1 硬度試驗方向

所得一系列硬度數據見表4。

圖2 硬度分布圖

在熔化焊的過程中，從母材往焊縫方向分別分為母材區、熱影響區、焊縫區。而焊接熱影響（HAZ）又可分：時效區（300℃～Ac1）、重結晶區(Ac1～1100)、融合區。從上面微觀晶相可看出，時效區的晶粒主要為鐵素體和珠光體，而在再結晶區為細化的鐵素體和珠光體，其硬度較母材區大；而在融合區，由于過熱和冷卻較快的影響，而出現柱狀晶，因而脆性達到最大，硬度也達到一個峰值。由此看出，融合區雖然區域狹小，但其化學成份和組織性能上都有較大的不均勻性，硬度大，脆性高，所以是產生裂紋（特別是冷裂紋）和脆性破壞的發源地。

3.2 距離母材底面1mm 位置試驗

圖3 硬度試驗方向

圖4 距離母材底面1mm 硬度分布圖

從表5 和圖3、圖4，可清楚地看到，焊縫距反面1mm 處的重結晶區和HAZ 融合區的硬度明顯低于焊縫表面處的相應位位置，且硬度變化平穩，從晶相圖可以得到合理的解釋，由于在后續焊接熱循環的影響下，原HAZ 區的晶粒度明顯細化，硬度與距表面1mm的試樣降低，脆性因而降低，韌度增強。

表5 距離焊縫根部表面1mm 位置硬度值

表6 焊縫根部至表面硬度值

3.3 沿焊縫中軸線（從焊縫根部到焊縫表面方向）試驗

圖5 焊縫中心硬度試驗方向

圖6 焊縫根部至表面硬度分布圖

在焊縫中軸從根部到焊縫表面，由于后一道焊縫對前一道焊縫的焊接熱循環影響，其晶粒度明顯細化，從硬度的圖表可看出，離根部越近，其受到多次焊接熱循環影響，硬度比上一層更低。并且后一層焊縫的硬度略微比后前一道焊縫高。

4 結論

在焊接過程中，母材及熱影響區各點距焊縫的遠近不同，各點所經歷的焊接熱循環也不同，就會出現不同的組織，具有不同的性能，使得母材、熱影響區、焊縫區的組織和性能呈現不均勻性。

在離焊縫表面較近區域，從母材向焊接熱影響區過渡，焊縫硬度逐漸增大，在融合區達到最大。由于融合區緊鄰焊縫，其溫度范圍在固液相之間，焊縫在此出現柱狀晶區，因此硬度達到最大。隨后從融合區到達粗晶區（過熱區）、正火區（相變重結晶），硬度逐漸下降，達到平穩。 因此融合區是產生裂紋、脆性破壞的發源地。因此，在對韌性有要求的焊縫，適宜的熱處理顯然是必須的。

在離焊縫表面較遠的區域，由于后續的焊縫對先前的焊縫在焊接熱循環的熱處理作用，所以硬度比較平穩，焊縫與母材區硬度相差不大，焊縫韌性較好。從焊縫中軸上的硬度分布分析，焊縫的后續焊道對前一焊道的焊接熱循環作用下，前一道焊道較后續焊道硬度低，韌性方面有更好的優越性。但是從研究表明，在焊接過程中，應控制好焊縫的熱輸入量，避免粗晶區長大，減少在焊接冷卻條件下上貝氏體和魏氏體等脆性組織的產生，從而提高韌性。

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