X100螺旋埋弧焊管焊接接頭沖擊韌性研究*

張建勛 畢宗岳 孫　茜

（1.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，西安710049；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞，721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西寶雞721008）

采用焊接方式將管線鋼制成焊管時，由于焊接快速熱循環作用，使得焊縫和熱影響區（HAZ）的強度和韌性等力學性能與母材相比都有很大不同，而且焊接HAZ是焊接接頭的薄弱區域[1-4]。

SHIN與HWANG等人針對X70和X80兩種管線鋼的沖擊韌性進行了研究，指出針狀鐵素體的有效晶粒尺寸對其沖擊韌性的影響[5]。孟凡剛等在對管線鋼和粗晶區及臨界粗晶區中的M-A島進行統計分析后認為，母材中M-A島分布均勻，弦長較小，韌性較好，而粗晶區則弦長較大，韌性變差[6]；對于高鋼級管線鋼焊接接頭而言，熱影響區的粗晶區中M-A島基本以條狀為主，分布在晶界及晶內，對韌性造成影響；而細晶及混晶區中的M-A島以塊狀形式彌散分布，對韌性并未造成嚴重的影響，相反在一定程度上可以提高韌性。

牛靖等人采用焊接熱模擬試驗技術研究了不同奧氏體化溫度對管線鋼組織和性能的影響[7]，結果表明，不同的奧氏體化溫度得到不同形態的M-A島，且沖擊韌性也有明顯差異，其中當奧氏體化溫度為1 150℃時，沖擊韌性最差。

本研究采用落錘沖擊試驗裝置研究了X100螺旋埋弧焊管焊接接頭在-40℃條件下的沖擊韌性特征，并探討了斷口形貌及顯微組織對沖擊韌性的影響規律。

1　材料與試驗過程

試驗材料為X100管線鋼，屈服強度750MPa，抗拉強度840 MPa。試驗對象為螺旋埋弧焊管，規格為φ1 219 mm×15.3 mm。X100管線鋼管母材的化學成分見表1。

表1　X100螺旋焊管母材的化學成分　%

根據相關標準及實際情況對焊接接頭進行取樣，采用V形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，缺口深度為2 mm。沿焊縫厚度方向連續取5個試樣。由于管壁厚度的限制，相鄰兩個取樣可能存在重疊現象。在圖1所示的位置中取3個試樣進行熱影響區的沖擊韌性測定。

采用自動冷卻箱對試樣進行溫度控制，冷卻介質為酒精。試驗溫度為-40℃，沖擊試樣的保溫時間為30 min。利用Instron 9250落錘沖擊試驗裝置對不同位置的低溫沖擊韌性進行測定，試驗所設置的沖擊功為150 J，落錘的標定質量為46.8 kg，落錘沖擊試驗的初始速度約為2.5 m/s。

圖1　熱影響區沖擊試樣取樣位置示意圖

2　試驗結果與討論

2.1　沖擊試驗結果

X100焊管焊接接頭-40℃的沖擊韌性如圖2所示，圖中分別為焊縫、HAZ和母材的沖擊韌性值。由圖2可見，焊縫的沖擊韌性略高于熱影響區，而母材的沖擊韌性最高。由于是半尺寸沖擊試樣，如果換算成標準試樣，X100管線鋼管母材的沖擊功平均值為245 J，焊縫的沖擊功平均值為140 J，熱影響區的沖擊功平均值為130 J。由于熱影響區的組織不均勻，缺口位置直接影響著沖擊試驗結果，在研究中每個缺口都穿過熱影響區中的各個區域，同時也含有少部分母材，因此是一個綜合結果。

圖2　X100焊管焊接接頭沖擊韌性

X100焊管焊接接頭不同區域的沖擊試驗曲線如圖3所示。由圖3可見，焊縫、HAZ和母材的峰值載荷及下降速度不同，母材的峰值載荷最高，下降幅度較慢，而熱影響區與焊縫最大載荷相近，但下降速度較快。從起裂的角度來看，母材具有較高的抵抗裂紋形成能力，而熱影響區及焊縫易起裂；從裂紋擴展的角度來看，焊縫和HAZ的裂紋比母材更容易擴展。

圖3　X100焊管焊接接頭不同區域沖擊曲線

X100焊管焊縫不同位置沖擊功如圖4所示。由圖4可以看出，內焊道的沖擊韌性稍高一些，這是外焊道對內焊道有一定的回火作用，但總體上沿厚度方向相差較小，分布較均勻。

2.2　沖擊斷口分析

為了更好地說明焊接接頭各區域沖擊韌性的差異，對沖擊試樣宏觀及微觀斷口形貌進行了分析。X100焊管焊接接頭沖擊試樣典型宏觀斷口形貌如圖5所示，圖中顯示沖擊功分別為76 J，60 J和123 J的宏觀斷口形貌。由圖5可見，焊縫和HAZ的沖擊功較低，沖擊斷口較平，剪切唇面積相對較小；而對于母材，沖擊斷口凸凹較大，剪切唇面積也相對較大。

對圖5中斷口中心部位進行微觀形貌分析，如圖6所示。由圖6可見，各區的斷口形貌均為韌窩狀，焊縫斷口韌窩較小且均勻（見圖6（a）），韌窩較淺；熱影響區斷口韌窩較大，在大韌窩中還可發現小韌窩存在，在韌窩底部可觀察到第二相粒子或夾雜物（見圖6（b））；母材斷口韌窩大小均勻性較差，存在大量大尺寸且很深的韌窩，變形很大，表明其韌性很好（見圖6（c））。

圖4　X100焊管焊縫不同位置沖擊功

圖5　X100焊管焊接接頭典型宏觀斷口形貌

圖6　X100焊管焊接接頭沖擊斷口微觀形貌

2.3　顯微組織分析

研究結果表明，管線鋼中的M-A島對斷裂韌性有著顯著的影響，主要體現在M-A島形態對裂紋起裂與擴展的阻礙作用。作為硬質相的M-A島，與相對軟質基體構成的相界面會成為微裂紋形成或裂紋擴展的通道[8-10]。管線鋼焊接HAZ的條狀M-A島更易引發裂紋，使韌性變差[11-12]。

從焊接接頭沖擊試驗結果可知，焊縫和熱影響區的沖擊韌性基本相同，母材最好。經焊接后，形成的焊接熱影響區的沖擊韌性下降較為明顯，韌性損失值在50%左右。研究結果表明，在熱影響區中對性能起決定作用的是粗晶區，經過焊接熱循環后，存在晶界嚴重脆化現象，裂紋更容易沿晶界擴展，使沖擊韌性更低[12]。

X100焊管沖擊斷口中沿裂紋走向的掃描照片如圖7所示。由圖7可見，M-A島對裂紋的擴展有一定的阻礙作用。從圖中A處可見，裂紋沿長條狀M-A島與基體的相界面擴展；而在B處所示的小塊狀或顆粒狀的M-A島則有效地阻礙了裂紋的擴展或改變裂紋擴展的方向。

圖7　X100焊管焊縫中M-A島形態

X100焊管焊縫顯微組織如圖8所示。由圖8可見，焊縫的顯微組織由針狀鐵素體和M-A島組成。針狀鐵素體呈多角度排列，可有效地阻礙裂紋的擴展，但針狀鐵素體之間存在長條狀M-A島（如圖中黑色箭頭所示），使得韌性下降。

圖8　X100焊管焊縫顯微組織

X100焊管焊接熱影響區粗晶區的顯微組織如圖9所示。從圖9（a）中可見，組織形態為粒狀貝氏體，奧氏體平均晶粒尺寸為20～30 μm，晶粒粗大，奧氏體晶粒內部的貝氏體鐵素體成板條束分布，有效晶粒尺寸較大，因此對裂紋的擴展阻力較小。同時，該晶粒內部分布的長條狀M-A島不僅不會阻礙裂紋擴展，相反很容易同基體脫離，導致韌性下降；而在原奧氏體晶界交匯處分布的不規則塊狀M-A島也容易出現微裂紋，同等加載的條件下，裂紋沿此邊界及晶界處迅速擴展并脫落，直至斷裂（見圖9（b））。因此，M-A島在晶內及晶界上的典型形態嚴重影響了粗晶區的沖擊韌性，使得熱影響區的整體韌性下降，成為焊接接頭中的薄弱區域。

X100管線鋼母材的顯微組織如圖10所示。由圖10可見，其顯微組織以細小粒狀貝氏體為主，其M-A島呈顆粒狀彌散分布，且尺寸細小，不但不會降低沖擊韌性，相反會在一定程度上提高該區域的沖擊韌性，這也是母材比熱影響區及焊縫韌性良好的重要因素。

圖9　X100焊管焊接熱影響區顯微組織

圖10　X100焊管母材顯微組織

3　結論

（1）X100螺旋埋弧焊管焊縫沿管壁厚度方向的沖擊韌性變化不明顯；焊接接頭中，母材沖擊韌性最高，約是焊縫和熱影響區的1倍，焊縫略高于熱影響區。

（2）沖擊斷口形貌表明，無論是母材、焊縫還是熱影響區，均為韌窩形斷口。母材韌窩尺寸大且深，焊縫韌窩尺寸均勻但較淺，熱影響區以小尺寸韌窩為主，含少量大尺寸韌窩；

（3）焊接接頭組織中的M-A島是決定沖擊韌性的主要因素。與長條狀M-A島相比，塊狀或顆粒狀M-A島能更有效地阻礙裂紋擴展。焊縫及粗晶區的大尺寸條狀或棒狀M-A島使沖擊韌性下降。

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