內焊余熱和焊接熱循環對螺旋埋弧預精焊管焊縫性能的影響

楊 軍 ， 劉海璋 ， 符利兵 ， 宋紅兵 ， 茍世峰

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 輸送管分公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

隨著能源需求的不斷增長，遠距離、高壓油氣輸送已成必然，油氣輸送管道必然向著高強度、高韌性、大壁厚、大直徑以及大輸量方向發展[1-4]。高壓力、大流量管線的建設無疑對管道用鋼管的可靠性提出了更高要求，要求其不但具有高強度、低溫止裂韌性以及良好的焊接性，而且對特殊地區服役的管線鋼，還要求其具有良好的抗大變形和抗H2S腐蝕能力[5-8]。

螺旋埋弧焊管一步法生產是指成型和焊接同步進行，即鋼卷經過排棍成型并同時進行鋼管內焊縫埋弧焊接，在鋼管前進適當螺距后再進行外焊縫埋弧焊接。與之相對應的是螺旋預精焊技術，又稱兩步法螺旋埋弧焊管生產技術，是將鋼管的成型和埋弧焊接分開進行。第一步，在螺旋成型過程中采用熔化極氣體保護焊在內焊坡口完成預焊，這種預焊具有熔深小（一般2~3 mm），焊速高（可達3~6 m/min），操作簡單，焊點位置可調范圍大，對成型控制無影響等優點。第二步，對預焊成型的鋼管采用雙面埋弧自動焊，內、外焊相差適當螺距同步進行 （先進行內焊縫焊接，鋼管前進適當螺距后再進行外焊縫焊接）。焊接中，焊縫附近母材會受到內、外焊接熱循環的影響產生熱影響區 （HAZ），同時外焊焊接時的熱循環會對已經凝固的內焊縫造成二次加熱，使內焊縫部分區域發生二次相變，甚至會引起整個焊縫力學性能的變化[9]。另外，內焊余熱也會對外焊起到預熱作用。對于有一定冷裂傾向的高鋼級小壁厚管線鋼，當采用小線能量（10 kJ/cm）在線焊接時，焊前預熱對于其產生的HAZ淬硬組織及冷裂紋有緩解作用[10]。有學者[11]指出，焊接HAZ會出現以氧化物夾雜誘導形成的散射狀晶內針狀鐵素體，可分割細化HAZ中粗大的奧氏體晶粒，從而改善焊接HAZ的韌性。另外，M－A島形態、尺寸、分布及含量等對管線鋼的力學性能及韌性均有較大影響。細小彌散分布的M－A島組元可有效阻礙位錯運動和疲勞裂紋擴展，不易產生應力集中誘發裂紋，對管線鋼強度和韌性的提高有一定貢獻[12-13]。

有研究[14]報道焊縫力學性能的最薄弱區域處在焊縫粗晶區和臨界區。這兩區域組織出現粗大的多邊形鐵素體和板條狀鐵素體，M－A島由點狀生長成片狀和塊狀，分布均勻性變差[15]。這種組織形態結構縮短了裂紋擴展路徑，降低了裂紋擴展阻力，形成了焊縫韌性的最薄弱區域。不同預熱溫度和線能量的輸入對管線鋼焊縫組織和力學性能影響的研究已有大量報道，但對于在實際焊接中，不同焊接熱輸入對焊縫組織和力學性能及螺旋埋弧精悍工藝的影響報道甚少。為了追求高效焊接工藝和高質量螺旋焊管，本研究將對三種規格鋼管分別采用不同精焊工藝得到的焊縫試樣進行對比研究，旨在探討焊接熱輸入對螺旋預精焊管焊縫質量的影響，對預精悍工藝提升提供理論參考。

1 試驗材料和方法

試驗所用鋼帶邊緣加工成X形焊接坡口，形狀設計及參數見圖1和表1。試驗所用材料的鋼級、規格和化學成分見表2。

預焊采用單絲熔化極CO2氣體保護焊，焊接參數見表3。三種規格鋼管內、外焊間隔相同，均為1/2螺距，且在外焊縫坡口處檢測到內焊余熱溫度高達470℃。三種規格鋼管精焊焊接參數見表4。

圖1 焊接坡口設計

表1 焊接坡口形狀參數

表2 試驗用材料的鋼級、規格及化學成分

表3 預焊工藝參數

表4 精悍工藝參數

試驗時，對X70級φ813 mm×11.7 mm焊管，內外焊采用兩種方式，一種是內、外焊間隔相差1/2螺距；另一種是完成整根鋼管的內焊后再進行外焊，外焊時內焊余熱完全釋放，溫度已降至室溫，即外焊不受內焊余熱的影響。對于X80鋼兩種規格焊管，焊接時除焊接速度和熱輸入有差異外，其他焊接參數完全相同。

試驗管焊接完成后，分別在各鋼管焊縫處取樣。沖擊試驗采用V形缺口夏比沖擊試樣，V形夾角45°，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在NAI500F擺錘式沖擊試驗機上進行。試驗溫度為－10℃，低溫控溫介質采用無水乙醇和液氮混合物，試樣在規定溫度溶液中保溫時間≥5 min，以保證試樣表面與內部溫度一致，用低溫熱電偶測量溫度。用司特爾Durascan－70型顯微維氏硬度計測試焊縫處顯微硬度，加載載荷量10 kg。用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，采用Olympus GX71型金相顯微鏡觀察焊縫和HAZ組織形貌。

2 內焊和焊接熱循環對焊縫性能的影響

2.1 對焊縫及HAZ韌性的影響

2.1.1 對焊縫及HAZ夏比沖擊功的影響

焊接時，如果內、外焊之間相差螺距較小，內焊余熱損失小，余熱溫度高，對外焊的影響較大；如果相差螺距較大，內焊余熱損失較大，余熱溫度低，對外焊的影響就不大。

－10℃環境下焊縫及HAZ夏比沖擊試驗結果見表5。由表可見，編號為X70 11.7mm－W的試樣，內、外焊之間相差螺距為整根鋼管，內焊余熱完全釋放，對外焊幾乎沒有影響；而其他試樣由于內、外焊相差1/2螺距，經測試內焊余熱溫度高達470℃，內焊余熱對焊縫中心及HAZ的韌性影響較大。

表5 －10℃焊縫及HAZ夏比沖擊試驗結果

－10℃焊縫及HAZ夏比沖擊試驗結果如圖2所示。可見，有內焊余熱影響的 X70 11.7 mm試樣，焊縫及HAZ夏比沖擊功單值和均值均小于不受余熱影響的X70 11.7 mm－W試樣。

由圖2（a）可以看出，內焊余熱使焊縫中心和HAZ的韌性有明顯降低，平均降幅分別達到了59.5%和39.9%，給鋼管使用帶來潛在風險。

由圖2（b）可以看出，二者焊接速度相差0.1 m/min，而后者總的熱輸入較前者高出了0.44 kJ/mm，其沖擊功值卻有不同程度的降低，韌性受到消弱。因此，可通過適當增大內、外焊間隔距離，提高精焊焊接速度，或兩者結合均可以提高焊縫韌性，以此達到對焊接過程熱輸入量的精確控制來確保焊管各項性能指標和質量要求。

圖2 －10℃焊縫和HAZ的夏比沖擊功

2.1.2 對焊縫及HAZ顯微硬度的影響

焊縫處硬度測試位置如圖3所示，圖中至上而下依次有3條測試弧線，分別對應的是外焊縫表層處（距外焊縫表面1.5 mm）、焊縫中間（1/2壁厚）和內焊縫表層處 （距內焊縫表面1.5 mm），且弧線上明確標出了打點位置。焊縫硬度測試結果見表6。

圖3 硬度測試位置示意圖

各試樣3條測試線上硬度的變化如圖4所示。由圖4可以看出，內焊余熱對焊縫以及HAZ顯微硬度無明顯影響。同一測試線上X70 11.7 mm和 X70 11.7 mm－W兩組試樣的硬度變化均呈現先增大后減小，交替發展趨勢，且焊縫中心處硬度大于HAZ和母材。

4組試樣焊縫中心處硬度較高的原因主要是由于焊絲和焊劑中微合金元素在焊接中擴散不充分，分布不均勻，產生了微合金元素的富集區，并在此區域生成多種硬質相的化合物或氧化物（包括Al2O3， MgO， Ti2O3， MnO 及 SiO2等）[15-16]， 造成其顯微硬度的突高。

因此，為獲得低硬度，高韌性的焊縫性能，在工藝制定中需根據母材特性恰當選擇焊絲和焊劑匹配，并合理設計焊接參數，從而實現焊接熱輸入的精確控制。

表6 焊縫及HAZ硬度測試

圖4 圖3中上、中和下3條弧線上的硬度變化曲線

2.2 對焊縫及HAZ組織形貌的影響

4組焊縫及HAZ試樣的光學顯微組織如圖5所示。由圖可知，X70焊管的內、外焊縫顯微組織主要由針狀鐵素體+少量準多邊形鐵素體組成，HAZ主要由粗大且均勻性差的粒狀貝氏體組成。而X80焊管的內、外焊縫呈針狀鐵素體組織，HAZ組織形態為尺寸較大的粒狀貝氏體，且晶界清晰可見。

對比圖5中的組織圖片可以發現，內焊余熱對焊縫以及HAZ顯微組織有顯著影響。圖5（a）～圖5（c）中針狀鐵素體及準多邊形鐵素體較圖5（d）～圖5（f）中的有明顯長大，且分布雜亂，有無規則的多邊形鐵素體和板條鐵素體沿晶界處產生并長大。內焊余熱和外焊焊接熱循環雙重作用使焊縫處微觀組織有一定程度長大，尤其在HAZ組織形態上更為明顯。焊接熱輸入的增大對焊縫處組織特征的影響較為明顯。 圖5（j）～圖 5（m）在組織形態、 尺寸上較圖 5（g） ～圖 5（i）顯得更加雜亂和粗大，且內、外焊縫組織內沿晶界產生的準多邊形鐵素體有明顯的長大，均勻化程度較差。

細小且分布均勻的組織結構，能有效延長裂紋擴展路徑，增大裂紋擴展阻力，對提高韌性有著較大作用[16-17]。因此，有效控制內焊余熱（適當調整內、外焊之間的螺距）和焊接熱輸入對細化焊縫及HAZ微觀組織，提高其韌性有重要作用。

總之，內焊余熱和焊接熱循環作用對焊縫及HAZ顯微組織有較大影響，為了獲得高質量的焊管，勢必要對其加以調整和控制。具體可以通過增大內、外焊之間的螺距，提高焊接速度，亦或是兩者結合的方法，均可以實現焊接熱輸入的精確控制，從而提高焊縫的韌性。

圖5 4組試樣內、外焊縫及HAZ的光學顯微組織

3 結 論

（1）內焊余熱和焊接熱循環對焊縫以及HAZ微觀組織、韌性及顯微硬度分布有較大影響。在其作用下，焊縫中心處和HAZ微觀組織有不同程度長大，沖擊功明顯降低，韌性有一定程度衰減，顯微硬度峰值均出現在焊縫中心附近區域。為獲得高質量、高性能焊縫，在制定生產工藝時須考慮內焊余熱和焊接熱循環的作用。可采用適當增大內、外焊間距，提高焊接速度，亦或是兩者結合的方法，均可實現對焊接熱輸入的有效控制，從而穩定和優化焊縫性能。

（2）焊縫中心處由于焊絲和焊劑中微合金元素在焊接中擴散不充分，分布不均勻，易產生微合金元素的富集，生成多種硬質相的化合物或氧化物，造成其顯微硬度的升高。因此，為獲得低硬度，高韌性的焊縫性能，在工藝制定中須根據母材特性，恰當選擇焊絲和焊劑匹配及合理設置焊接工藝參數。

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