X80M管線鋼焊接接頭性能研究

于　磊李志宏王國平王登樹

（1.安徽省特種設備檢測院，合肥230051；2.合肥工業大學，合肥230000；3.合肥紫金鋼管有限公司，合肥230000）

1　X80M鋼材料特征簡介

X80M鋼屬于熱機械成型高強度用鋼，與碳鋼和普低鋼的區別在于鋼中加入了多種微合金化元素，通過控軋控冷工藝（TMCP），充分發揮了合金元素析出強化和固溶強化等作用[1]，顯著改善了鋼材的力學性能。目前，X80M寬厚鋼板化學成分及力學性能能夠達到:碳當量CEpcm≤0.25%，屈服強度下限為555 MPa，抗拉強度下限為625 MPa，且-20℃橫向沖擊功≥150 J[2]。使得鋼材在保證足夠強度和良好沖擊韌性的同時，依然具有良好的焊接性能。其主要化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1　X80M鋼板主要化學成分　%

表2　X80M鋼板的力學性能

2　焊接工藝參數設計

2.1　坡口尺寸及焊接順序

X80M鋼板焊接時采用的坡口形式為帶鈍邊的X形坡口。根據板厚和焊接效率等因素，選擇的焊接坡口尺寸如圖1所示。按圖中順序依次進行1，2和3焊道（層）的焊接。1表示GMAW預焊，2表示SAWL內焊，3表示SAWL外焊。

2.2　焊接工藝參數

預焊采用純CO2氣體保護焊，為保證焊接過程的穩定性，采用直流反接[3]。內焊采用埋弧雙絲焊接工藝，前置焊絲采用直流反接，后續焊絲采用交流焊接；外焊采用埋弧三絲焊接，采用“直流+交流+交流”模式，前置焊絲采用直流反接，中間和后續焊絲采用交流焊接。埋弧焊時前置焊絲焊接電流較大，主要是為了保證熔透深度，后續焊絲電流較小，主要是為了控制焊縫表面成形質量。

X80M直縫焊管焊接工藝參數見表3。

圖1　X80M直縫焊管的坡口尺寸

表3　X80M直縫焊管焊接工藝參數

3　焊接接頭理化性能測試

3.1　橫向拉伸性能

截取鋼管全壁厚試樣，焊縫位于試樣中心。將試樣在室溫下壓平，壓平后試樣尺寸為19 mm（厚）×38 mm（寬）×350 mm（長）[4]， 試驗按照 GB/T 228.1—2010標準進行。測得焊接接頭抗拉強度為693 MPa，試樣斷裂于母材，為塑性斷裂。

3.2　焊縫橫向導向彎曲試驗

焊縫導向彎曲試樣為全壁厚帶弧度試樣，焊縫位于試樣中心。試樣經室溫壓平后的尺寸為19 mm（厚）×38 mm（寬）×350 mm（長）， 試驗方法按照GB/T 232標準進行。彎曲后試樣如圖2所示。對彎曲后試樣進行觀察，沒有發現管體、焊縫及熱影響區存在任何裂紋，證明焊縫、熱影響區與管體之間結合良好，塑性良好。

圖2　X80M直縫焊管橫向彎曲試驗結果

3.3　V形缺口夏比沖擊試驗

試驗用主要設備為微機控制用金屬擺錘沖擊試驗機和低溫保溫箱，截取10 mm×10 mm×55 mm的橫向試樣，試驗按照GB/T 229—2007標準要求進行。

X80M直縫焊管橫向沖擊試樣的斷后形貌如圖3所示。圖3（a）為焊縫沖斷后的試樣，從左依次編號為 1#，2#和3#； 圖3（b）為熱影響區沖斷后的試樣，依次編號為1#，2#和3#。從圖3可以看出，熱影響區沖擊斷口剪切面積較大，說明在承受沖擊載荷時迅速發生塑性變形的能力較強。焊縫和熱影響區沖擊試驗結果見表4。

圖3　X80M直縫焊管橫向沖擊試樣斷后形貌

表4　X80M直縫焊管橫向沖擊試驗結果

從表4可以看出，焊縫和熱影響區沖擊值均低于母材。主要原因是在整個焊接熱循環過程中奧氏體晶粒急劇長大[5]，以及焊后冷卻過程使組織變得較為粗大所致。

3.4　微觀金相組織觀察

采用線切割方法，將試樣切割成40 mm（長）×19 mm（寬）×15 mm（厚）的小試樣， 并按順序進行打磨、拋光，采用4%硝酸酒精進行腐蝕。在金相顯微鏡下觀察焊接接頭的顯微組織，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，內、外焊縫中以鐵素體和粒狀貝氏體組織為主，粗晶區以塊狀鐵素體和粒狀貝氏體為主，細晶粒區組織則相對細小，除塊狀鐵素體和粒狀貝氏體外，出現了針狀鐵素體組織，成分和性能進一步向母材靠近；內焊縫比外焊縫的組織細小。因為按照焊接順序先內焊、后外焊，外焊時，內焊縫處于“正火”[6]溫度范圍內，致使內焊縫晶粒組織較外焊縫細小。

圖4　X80M直縫焊管焊接接頭的金相組織

3.5　斷口SEM掃描

利用SEM掃描電子顯微鏡對3#試樣的焊縫和熱影響區沖擊斷口分別進行掃描，掃描結果如圖5所示。從圖5可以看出，焊縫斷口形貌主要呈撕裂狀“河流花樣”特征[7]，也有少部分呈韌窩特征；而熱影響區斷口形貌主要呈現韌窩斷口特征，以塑斷為主。說明熱影響區沖擊試樣在斷裂前發生了很大的塑性變形。

圖5　3#試樣焊縫和熱影響區沖擊斷口SEM形貌

4　結語

采用熔化極氣體保護焊和埋弧焊組合的方式對X80M管線鋼板進行了焊接性試驗。對X80M直縫焊管的焊接接頭進行了力學性能測試、微觀金相觀察及沖擊試樣斷口SEM掃描。結果表明，采用該工藝所焊接頭的各項指標符合GB/T 9711—2011和其他安全技術規范與標準要求。焊縫中粗大柱狀晶導致該區域韌性較低，在實際生產過程中應將焊接熱輸入量控制在適當的范圍之內，以保證焊接質量。

參考文獻：

［1］蘭亮云，邱春林，趙德文.高鋼級管線鋼的常規TMCP工藝與 HTP 工藝［J］.軋鋼，2009，26（05）：40-41.

［2］GB/T 21237—2007，石油天然氣輸送管用寬厚鋼板［S］.

［3］王長忠，高艷華，盧大勇，等.焊工工藝與技能訓練［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2005:158.

［4］GB/T9711—2011，石油天然氣工業管線輸送用鋼管［S］.

［5］張文鉞.焊接冶金學［M］.北京:機械工業出版社，2008:185-186.

［6］石德珂.材料科學基礎［M］.北京:機械工業出版社，2003:336.

［7］崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理［M］.北京:機械工業出版社，2007:185-189.