超低碳微合金管線鋼焊接接頭的組織與沖擊性能

李繼紅，楊 亮，張興璇，張 敏

（西安理工大學材料科學與工程學院，西安 710048）

0 引言

隨著經濟的發展，全世界對能源的需求不斷增加，目前天然氣及石油最經濟適用的運輸方法還是管道輸送。為了降低管道輸送的成本（包括管道材料及建設費用），對管道的工作壓力要求不斷提高。同時，管道多鋪設在氣候惡劣、人煙稀少、地質地貌條件極其復雜的地區。基于以上原因，長距離輸送管線鋼需具有高強度和良好的韌性，以保證管線的經濟性和安全性［1－2］。目前超低碳微合金管線鋼由于在大口徑、長距離、高壓輸送條件下具有安全可靠、輸送量大、成本低等優勢而被普遍關注［3］?，F階段，對這類管線鋼的研究已經取得了一定的進展［4－6］，但國內外對于這種新型超高強度微合金化管線鋼的焊接接頭組織與性能方面的研究較少，仍然處于初始階段。因此，作者采用埋弧焊對超低碳微合金管線鋼進行對接直縫雙面焊，并對其焊接接頭的組織和沖擊性能進行研究，為后期超低碳微合金管線鋼的生產及應用提供參考依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用鋼板為國內某廠提供的超低碳微合金管線鋼，厚度為15.3 mm，尺寸為500 mm×155 mm×15.3 mm，其化學成分（質量分數/%）為 0.044C，0.2Si，1.95Mn，0.011P，0.002S，0.39Ni，0.28Cr，0.21Cu，0.07Nb，0.01V，0.014Ti，0.25Mo，0.03Al，0.000 3B;其碳當量為0.52，焊接裂紋敏感性指數Pcm為0.2;其力學性能如表1所示。

表1 超低碳微合金管線鋼的力學性能Tab.1 Mechanical properties of ultra low-carbon m icro-alloyed pipeline steel

焊接試驗中采用美國林肯雙絲埋弧自動焊機，分內、外焊接。所選用的焊接材料為H03MnNi3型焊絲和自主研發的氟堿性焊劑（成分見表2），其中前絲直徑 4.0 mm，后絲直徑 3.2 mm，鈍邊 8～9 mm，內坡口（60 ±3）°，外坡口（90 ±3）°，焊絲伸出導電嘴的長度為25～38 mm。焊接工藝參數如表3所示。

表2 焊劑的主要成分（質量分數）Tab.2 Composition of flux（mass） %

表3 焊接工藝參數Tab.3 The welding parameters

埋弧自動焊接完畢后，在接頭的不同位置取樣，采用體積分數為4%硝酸酒精腐蝕10 s，使用奧林巴斯GX71型倒置光學顯微鏡進行組織觀察;采用NI750F型沖擊試驗機對接頭焊縫的沖擊性能進行測試，試驗溫度為－10℃，按照GB 2650－1989進行取樣（V形缺口在焊縫中心），試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm;采用JSM-6700F型掃描電鏡對沖擊試樣斷口進行觀察;片狀試樣經雙噴減薄壓片成透射試樣，并采用JSM-3010型透射電子顯微鏡和附帶的能譜儀分析組織中的夾雜物。

2 試驗結果與討論

2.1 焊接接頭的顯微組織

從圖1可以看出，超低碳微合金管線鋼焊接接頭母材的顯微組織主要由粒狀貝氏體（GB）和貝氏體鐵素體（BF）構成。GB主要呈伸長的條狀，條之間呈小角度，由于這種小角度的晶界不易腐蝕，因而在顯微鏡下呈現為不規則的小塊狀。超低碳微合金管線鋼中含有鈦、鈮等微合金元素，可以限制奧氏體晶粒的長大，從而細化晶粒，使得小塊狀的GB尺寸更為細小，具有較高的強化作用，有利于提高鋼的強度。白色的BF在原奧氏體晶粒內形成并分布于原奧氏體基體上。與GB相比，BF板條長且窄，板條界限明晰。適量的BF可作為韌性相以提高鋼的韌性，而且它還可在一定程度上減小GB的晶粒尺寸，增加晶界面積，改善鋼的塑韌性。在管線鋼中，GB和BF都屬于針狀鐵素體（AF）［5］，只是形態不同。可見，AF具有不規則的非等軸形貌，且鐵素體內具有高密度的位錯。

圖1 超低碳微合金管線鋼母材的顯微組織Fig.1 Microstructure of basemetal of ultra low-carbon m icro-alloyed pipeline steel

由圖2可以看出，焊接接頭熱影響區（HAZ）中粗晶區的組織比母材的明顯粗大，說明了在焊接熱循環作用下，晶粒快速長大，材料組織發生粗化，使材料脆化;其顯微組織主要為BF和GB，及少量的多邊形鐵素體（PF）;BF由原奧氏體晶界以相互平行的板條向晶內生長，有些BF板條束貫穿于原奧氏體晶粒;不同位向的BF束將原奧氏體晶粒分割成不同的區域，原奧氏體晶界清晰可見;板條間為尺寸較細小的M-A島。

圖2 超低碳微合金管線鋼焊接接頭熱影響區的顯微組織Fig.2 Microstructure of HAZ of ultra low-carbon m icro-alloyed pipeline steel

由于超低碳微合金管線鋼中錳、鉻、鎳、鉬等合金元素含量比較高，且均屬于強化元素，在焊接過程中，可以抑制先共析鐵素體的析出，獲得以GB和AF為主的焊縫組織，以及極少量的M-A島，如圖3所示。這種AF和母材中出現的有所不同，焊接過程中形成的AF多為以夾雜物誘發、晶內形核的AF［7］。

圖3 超低碳微合金管線鋼焊接接頭焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructure of weld seam of ultra low-carbon m icro-alloyed pipeline steel

從圖4可以發現，焊縫的板條鐵素體已經變形為環形，而且位錯密度較高，位錯互相纏結在一起，形成了較明顯的胞狀結構，這種位錯胞，強烈地釘扎著晶界，可以看成是對晶粒的進一步細化;焊縫組織中還有少量的亞結構存在;夾雜物尺寸較小，呈球狀，它們作為一種高能量表面降低了針狀鐵素體形核的能壘，從而促進了針狀鐵素體的形成。由表4可見，夾雜物是含有鈦、鋁、硅、錳的復合氧化物夾雜，其對針狀鐵素體的形核有非常重要的作用。Devners［7］認為富鋁的夾雜物（熱膨脹系數 2.1 ×10－6K－1）促進針狀鐵素體形核應歸于其與奧氏體之間的熱膨脹系數差。奧氏體與夾雜物的熱膨脹系數差越大，奧氏體產生的應變也就越大，形成的位錯能降低總的形核應變能，有利于鐵素體的形核。由于MnO·SiO2的熱膨脹系數（10.2 ×10－6K－1）與奧氏體的熱膨脹系數（22.6×10－6K－1）相差較小，因此MnO·SiO2夾雜物不利于針狀鐵素體的形核。同時，可以發現圖3中AF具有一定的長寬比，且呈非平行、伸長的、多位向析出的針片狀形態，針片間相互交錯，宛如筐籃的編織結構。這種高密度的編織結構阻礙了裂紋的擴展，可以在一定的程度上提高材料的強韌性［8］。

圖4 誘發AF形核夾雜物的TEM形貌Fig.4 TEMmorphology of inclusions inducing AF nucleation

表4 誘發AF形核夾雜物的成分分析結果（質量分數）Tab.4 Results of component analysis of inclusions inducing AF nucleation（mass） %

2.2 焊接接頭焊縫的沖擊性能

由表5可以看出，在－10℃時焊接接頭的沖擊功和斷口的剪切面積率都較大，平均值分別為178 J和84.6%，滿足高級別鋼的沖擊性能要求。進一步證實了接頭的BF組織對材料的增韌作用，其韌化的機理除了晶粒細小以外，還有組織中細小的M-A島分布均勻的影響。

表5 焊接接頭焊縫的沖擊性能Tab.5 The im pact properties of the weld seam

由圖5可以看出，試樣斷口由許多大小不等的韌窩組成，在韌窩中有少量的第二相粒子或夾雜物存在。韌窩的大小和形狀主要與第二相質點間距和斷口上所受應力有關。大韌窩周圍群集著小韌窩，這樣交錯的組合能夠有效阻止裂紋的擴展。圖5（a）右半部分中深而寬的溝狀裂紋可能是由于焊縫中存在的夾雜物在沖力作用下發生開裂造成。經局部放大后，可以更清晰地看到，斷口上韌窩較多且較深，賦予了材料良好的韌性?？偟膩碚f，沖擊斷口表現為韌性斷裂。

3 結論

圖5 焊接接頭沖擊試樣斷口的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of impact specimen fracture of welding joints at low（a）and high（b）magnifications

（1）超低碳微合金管線鋼接頭母材的顯微組織主要由GB和BF組成，GB和BF只是形態不同的AF;AF具有不規則的非等軸形貌，且F內具有高密度的位錯。

（2）超低碳微合金管線鋼接頭HAZ粗晶區的組織為BF、GB和少量的PF及細小的M-A島，晶粒粗大;焊縫中的AF是由含有鈦、鋁、硅、錳的復合氧化物夾雜誘發形核的，并以筐籃的編織結構相互交錯分布。

（3）焊接接頭在－10℃下的沖擊功可達178 J，滿足管線鋼沖擊性能的要求，其斷裂形式為韌性斷裂。

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