提高HFW 焊縫低溫夏比沖擊韌性的研究

左蘭蘭，侯學勤

（1.中石化石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001；2.北京航空材料研究院，北京100095）

0 前 言

近年來，市場對HFW焊管的品質(zhì)要求越來越高，其中HFW焊縫的低溫沖擊韌性成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的核心指標之一。實際生產(chǎn)中影響焊縫沖擊韌性的因素很多，國內(nèi)外有很多制管廠在這一方面做了大量的研究工作，對于提高焊縫的低溫韌性提供了寶貴的經(jīng)驗［1-6］。筆者在借鑒前人研究的基礎上，從實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題著手，重點分析了造成焊縫夏比沖擊功偏低的原因，從而針對性地進行改進，以指導實際生產(chǎn)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本研究的試驗樣本均取自于國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X60熱軋管線鋼帶生產(chǎn)的高頻焊管，規(guī)格為φ 406.4mm×10.3mm，生產(chǎn)速度為16m/min，焊縫熱處理采用在線正火處理。X60熱軋管線鋼的化學成分見表1。

表1 X60熱軋管線鋼的化學成分 %

1.2 試驗設備

用NI750F型沖擊試驗機對樣本進行夏比沖擊試驗，用CS3100掃描電鏡和INCA能譜儀觀察分析沖擊斷口的形貌和成分，用YAW200-YB型壓扁試驗機對鋼管焊縫進行壓扁試驗，用GX41型光學顯微鏡觀察樣本的顯微組織。試驗所有樣本均經(jīng)生產(chǎn)線配置的在線E1155.SNHF.S和離線E1155.SNHF.F超聲波檢測儀器檢測，所有樣本的取樣、制備和評定均按照GB/T 9711—2011及其引用標準執(zhí)行。

1.3 試驗方法

為了便于對比分析，選擇了表2的試驗樣本。其中未經(jīng)熱處理的1#和2#試樣是不同焊接工藝參數(shù)下的取樣，經(jīng)熱處理的所有樣本均是同樣焊接條件下的取樣。選擇夏比沖擊值最小的試樣進行掃描電鏡和能譜分析。

表2 試樣編號及處理狀態(tài)

2 試驗結果及分析

2.1 夏比沖擊試驗結果及分析

夏比沖擊試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm，表2各組試樣的夏比沖擊試驗結果見表3。

從表3可以看出，未經(jīng)熱處理條件下，由于焊接工藝參數(shù)設置不同，造成焊縫本身的焊接質(zhì)量存在很大差別，按照GB/T 9711—2011的要求，在0℃的條件下，全尺寸焊縫夏比沖擊試驗的最小平均吸收功≥27 J，任何一個試樣的試驗值不應小于規(guī)定最小平均吸收功的75%，即單值≥20.25 J。2#試樣是在1#試樣的基礎上對焊接工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，其結果是單值和平均值均滿足標準要求，而1#試樣單值和平均值均不滿足標準要求，表明如果焊接工藝參數(shù)設置恰當，焊縫焊接質(zhì)量良好，即便不需經(jīng)過熱處理，焊縫的夏比沖擊值也滿足標準要求。

表3 夏比沖擊試驗結果

由表3還可以看出，焊縫經(jīng)過熱處理后低溫沖擊韌性得到明顯的改善，－20℃條件下，經(jīng)過熱處理的H1試樣的沖擊值無論是單值還是平均值均要遠遠大于未經(jīng)熱處理的2#試樣。而不同熱處理工藝條件下，例如H2試樣的熱處理溫度約為900℃，H3試樣的熱處理溫度約為1 180℃，出現(xiàn)低溫沖擊韌性不均勻，吸收功單值分別出現(xiàn)29 J和12.4 J的較低值。

2.2 夏比沖擊試驗斷口分析

夏比沖擊試樣的斷口在掃描電鏡下的形貌如圖1所示，斷裂裂紋源區(qū)位于試樣左下方的黑色區(qū)域，即紅色圈內(nèi)的區(qū)域。利用能譜儀對該黑色區(qū)域的成分進行分析，結果見圖2～圖4及表4～表6。

圖1 夏比沖擊試樣的斷口在掃描電鏡下的形貌

圖2 圖1黑色區(qū)域位置一的能譜分析

表4 圖1黑色區(qū)域位置一的能譜分析結果

圖3 圖1黑色區(qū)域位置三的能譜分析

表5 圖1黑色區(qū)域位置三的能譜分析結果

圖4 圖1黑色區(qū)域位置四的能譜分析

表6 圖1黑色區(qū)域位置四的能譜分析結果

圖2～圖4分別選取了3個不同點進行能譜分析，從圖2和圖4的能譜圖和元素百分比可以看出，此區(qū)域的Mn，Si和O的含量相對較高，說明該處為Mn和Si的氧化物，從圖3譜圖和元素百分比可以看出，此區(qū)域Mn含量占絕大部分比例。由此可以判斷，斷裂裂紋起源于Mn和Si氧化物的聚集區(qū)域，說明焊縫中氧化物夾雜是造成夏比沖擊吸收功過低的主要原因［7-9］。

2.3 顯微組織分析

圖5是不同熱處理工藝下焊縫的顯微組織。

圖5 不同熱處理工藝下焊縫的顯微組織

由圖5（a）可以看出，焊縫區(qū)域組織大小不一，且分布不均勻，說明在本試驗所設置的生產(chǎn)速度（16 m/min）和正火熱處理溫度（約900℃）條件下，由于熱處理溫度較低，使焊縫區(qū)域的組織未完全達到均勻化，從而影響了焊縫的低溫沖擊韌性（見表2中H2試樣）。圖5（b）是同樣的生產(chǎn)速度，正火熱處理溫度約為1 180℃時焊縫的顯微組織，組織中出現(xiàn)損害韌性的魏氏組織［10］，是影響焊縫低溫韌性的主要原因（見表2中H3試樣）。

3 結 論

（1）焊縫中氧化夾雜物通常是焊縫斷裂的源區(qū)，是影響焊縫沖擊韌性的主要原因之一。因此，對于HFW焊管而言，選擇優(yōu)質(zhì)的原材料是提高焊縫低溫沖擊韌性的第一步。

（2）熱處理工藝對于提高焊縫的低溫沖擊韌性也很重要，不同的熱處理工藝會產(chǎn)生不同的顯微組織，從而影響焊縫的韌性。因此，應根據(jù)生產(chǎn)線的具體設置，包括生產(chǎn)速度、材質(zhì)、壁厚來確定相應的熱處理溫度，使焊縫組織均勻、細化，以達到更好地改善焊縫韌性的目標。

（3）高頻焊縫的焊接質(zhì)量也是影響焊縫低溫沖擊韌性的重要因素。在同樣的夏比沖擊試驗溫度（0℃）下，優(yōu)化焊接工藝本身就可以提高焊縫的韌性，加之后續(xù)適當?shù)臒崽幚砉に嚕梢愿蟪潭壬咸岣吆缚p的低溫沖擊韌性。

實際生產(chǎn)中雖然影響焊縫沖擊韌性的原因很多，有些情況下也很復雜，可能是多方面原因共同作用的結果，但是分析造成的主要原因，并從源頭上著手一一進行控制和解決，才是提高HFW焊縫低溫沖擊韌性最有效的方法。

［1］SANGYONG SHIN，KYUNGSHIK OH，KI BONG KANG，et al.Effects of Complex Oxides on Charpy Impact Propertites of Heat Affected Zones of Two API X70 Linepipe Steels［J］.ISIJ International，2009（08）：1191-1199.

［2］小出竜男，近藤広章，板谷進.ラインパイプ用高強度高靭性 ERW 鋼管［J］.JFE 技報，2005（09）：25-29.

［3］辻村修.新潟·仙臺間天然ガ パイプラインの施工と技術［J］.川崎製鉄技報，1997（02）：102-107.

［4］中石油管材研究所.嚴格控制的高質(zhì)量ERW鋼管可用于油氣輸送管［C］//ERW鋼管在油氣輸送管中的應用交流研討會論文集.西安：［s.n.］，2005：78-80.

［5］The Technical Society，the Iron and Steel Institute of Japan.Production and Technology of Iron and Steel in Japan during 2008［J］.ISIJ International，2009（06）：749-770.

［6］石川信行，遠藤茂，近藤丈.ラインパイプ用高性能鋼管［J］.JFE 技報，2005（08）：19-24.

［7］周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［8］NTPPON STEEL.優(yōu)質(zhì)高頻電阻焊管的研究［J］.石油專用管，1991（04）：111-138.

［9］張朝生.C，Si，Mn含量和焊接區(qū)氧含量對 ERW鋼管焊縫區(qū)壓扁試驗的影響［J］.焊管，2007（05）：98-99.

［10］李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：1103-1263.