填充金屬對X100管線鋼焊縫組織性能的影響

馬文軍， 李 琳， 張 敏， 張啊妮

（1.陜西西宇無損檢測有限公司，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學 材料科學與工程學院，西安710048）

填充金屬對X100管線鋼焊縫組織性能的影響

馬文軍1，2， 李 琳1，2， 張 敏2， 張啊妮1

（1.陜西西宇無損檢測有限公司，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學 材料科學與工程學院，西安710048）

采用埋弧自動焊機和焊接熱模擬試驗機對X100管線鋼進行了埋弧雙絲焊接試驗，對比分析了兩種焊接工藝下得到的焊縫區組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對X100管線鋼組織性能的影響規律。研究結果表明，經過埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫組織主要以針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織比較細小，與母材性能相比，焊縫區的沖擊韌性良好，強度有待提高；經過焊接熱模擬方法所得X100管線鋼焊縫區的組織主要以板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，焊縫區的強韌性基本和母材保持一致。

焊接；X100管線鋼；焊縫組織；填充金屬；力學性能

0 前 言

目前生產的X100管線鋼是一種超高強度的多相鋼，具有廣泛的應用前景和較高的經濟效益，可使長距離油氣管線成本節約5%～12%，主要體現在材料節約、提高輸送壓力、減小施工量、降低維護費用、優化整體方案等方面[1－2]。國內外研究表明[3－7]，X100管線鋼主要由板條貝氏體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，通過控軋控冷工藝（TMCP）得到的X100管線鋼具有超潔凈度、超均勻性和超細晶粒的組織特點，并且具有優良的力學性能。然而，焊縫組織是一種鑄態組織，不可避免地存在合金元素的偏析，偏析對焊縫組織和性能的影響很不利，若單純靠加入更多合金元素以達到細化焊縫晶粒的目的，又可能會對焊縫金屬淬透性產生不良影響，同時合金元素會以固溶方式存在于基體中，造成焊縫金屬塑性和韌性下降[8-9]。這給焊縫金屬的強韌化帶來很大困難，這也是目前焊接材料的發展明顯滯后于鋼材發展的原因之一。鑒于此，筆者采用埋弧自動焊機和焊接熱模擬試驗機對X100管線鋼進行了埋弧雙絲焊接試驗，對比分析了兩種焊接工藝下所得焊縫區組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對X100管線鋼組織性能的影響規律，研究結果將為更高級別管線鋼及其焊材的研發提供數據支撐。

1 焊接工藝

采用埋弧自動焊機對X100管線鋼進行實際埋弧雙絲焊接，焊接工藝參數見表1。為了跟實際埋弧雙絲焊所得焊縫區組織性能進行對比，筆者結合表1所示埋弧焊焊接工藝參數，制定出表2所示埋弧雙絲焊焊接熱模擬工藝參數，并且采用焊接熱模擬方法對X100管線鋼進行了埋弧雙絲焊熱模擬試驗；通過對比分析兩種焊接工藝下所得焊縫區組織性能的變化情況及影響因素，研究填充金屬對X100管線鋼組織性能的影響規律。

表1 埋弧雙絲焊焊接工藝參數

表2 埋弧雙絲焊焊接熱模擬工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 埋弧雙絲焊焊縫區組織分析

圖1為X100管線鋼焊接接頭微觀組織，采用自行研制的焊劑匹配H03MnNi3MoTiB焊絲，通過埋弧自動焊機所得。采用4%硝酸酒精腐蝕接頭后，可清楚看出內外焊組織的生長方向、焊縫區、熔合線及HAZ。圖1（a）為焊接接頭宏觀形貌，從圖中可以看出焊道內部沒有氣孔、夾雜以及未焊透的情況，焊縫邊緣熔合良好，成形整齊；熔合線的位置、熱影響區的寬度、熔池形狀與深度、焊縫柱狀晶的結晶形態和生長方向都清晰可見，內外焊道的柱狀晶幾乎是垂直熔合線在焊縫中心交遇。焊縫微觀組織如圖1（b）所示，主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織極為細小，多數晶粒在5 μm以下。

圖1 實際埋弧雙絲焊焊縫微觀組織

圖2 焊接熱模擬的焊接熱循環曲線

圖3 焊接熱模擬雙絲焊所得近焊縫區微觀組織

采用焊接熱模擬方法模擬埋弧雙絲焊的焊接熱循環曲線如圖2所示。圖中箭頭所指為局部放大的雙絲焊熱循環曲線，從局部放大圖中可以看出母材首先經歷了前絲焊的熱循環，緊接著又經歷了后絲（通過預熱約1 200℃模擬后絲焊）所形成的二次焊接熱循環；采用焊接熱模擬方法模擬埋弧雙絲焊所得焊縫區組織如圖3所示，從圖中可以清晰的看出，焊縫區組織主要由板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，并且晶粒比較粗大，但晶內板條束比較細密。X100管線鋼屬于低碳貝氏體鋼的范疇，其采用低碳微合金化設計，Mo和B等微合金元素的加入抑制了奧氏體向珠光體和鐵素體的轉變，使鐵素體轉變曲線明顯右移，同時使貝氏體轉變曲線變得扁平，擴大了貝氏體轉變區域，使其在較大的冷卻范圍內就能得到貝氏體組織。與圖1（b）焊縫區組織對比可知，經過填充焊絲的埋弧雙絲焊所得焊縫組織比較細密，焊縫組織主要以針狀鐵素體為主，而經過1 350℃焊接熱循環所得X100管線鋼焊縫區組織比較粗大，焊縫區組織主要以板條貝氏體為主，同樣是經歷類似的焊接熱過程，所得焊縫的組織組成相、晶粒尺寸、相比例卻發生了明顯的變化，兩種研究方法的主要區別在于采用熱模擬方法焊接時未使用焊接材料而采用埋弧焊接時填充了相應的焊接材料。采用焊接熱模擬方法所得的焊縫區組織，在經歷相應的焊接熱過程中，母材組織隨著加熱溫度的升高進行了奧氏體化，隨后在冷卻過程中進行了相應的相變，相當于一個單純的連續轉變過程；而埋弧焊接過程中在母材、焊絲、焊劑的共同作用下，焊縫區不僅經歷了溶質再分配，而且受各合金元素之間的交互作用以及母材稀釋率的影響，而母材稀釋率直接影響進入焊縫金屬中的微合金種類和數量，進而影響焊縫金屬的組織組成相。通過以上分析可知，焊縫金屬的組織即不是母材組織的簡單重熔，也不等同于焊接材料熔敷金屬的組織，它是母材和焊材在焊接熱循環作用下的整合，通過圖1～圖3組織的對比分析可知，焊絲和焊劑的加入對焊縫組織起到至關重要的作用。

2.2 埋弧雙絲焊焊縫區力學性能分析

表3為實際埋弧雙絲焊和焊接熱模擬埋弧雙絲焊所得焊縫區的力學性能，表4為X100管線鋼母材的力學性能。從表3和表4可以看出，實際埋弧雙絲焊所得焊縫區組織具有良好的韌性，強度相比母材有所下降，而經過焊接熱模擬試驗所得焊縫區組織的強韌性基本和母材保持一致；宏觀性能是內在組織的表現形式，組織組成相是影響宏觀性能的內在因素，實際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫區組織主要以針狀鐵素體為主，而經過1 350℃焊接熱循環所得X100管線鋼焊縫區組織主要以板條貝氏體為主，針狀鐵素主要表現為良好的韌性，而板條貝氏體具有較高強度的同時也具備優良的韌性[10]，因此在保證韌性提高焊縫強度的基礎上，在焊絲合金系的設計時可以考慮與母材成分接近的焊絲合金系。

表3 不同焊接工藝下X100管線鋼焊縫的力學性能

表4 X100管線鋼母材的力學性能

2.2 埋弧雙絲焊焊縫區斷口形貌分析

圖4為不同焊接工藝下X100管線鋼焊縫區的沖擊斷口形貌。從圖4（a）可以看出經過實際埋弧雙絲焊所得焊縫區的斷口形貌主要以韌窩狀為主，并且韌窩比較密集，數量較多且深度較大，故表現出較好的塑性，斷裂時沖擊吸收功較大。圖4（b）采用熱模擬方法所得焊縫區斷口的韌窩相對于圖4（a）就比較稀疏，因此表現在沖擊韌性方面不如經過實際埋弧雙絲焊所得的焊縫組織，但也屬于韌性斷裂。

圖4 不同焊接工藝X100管線鋼焊縫區沖擊斷口形貌

3 結 論

（1）經過實際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫組織主要以針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量先共析鐵素體組成，組織比較細小，與母材性能相比，焊縫區的沖擊韌性良好，強度有待提高。

（2）采用熱模擬方法模擬實際埋弧雙絲焊所得X100管線鋼焊縫區的組織主要以板條貝氏體和少量粒狀貝氏體組織組成，焊縫區的強韌性基本和母材保持一致。

（3）通過對比分析兩種工藝下所得X100管線鋼的組織和性能可知，焊絲和焊劑在焊接過程中起到至關重要的作用，焊接材料的加入不僅影響焊縫區的組織組成相，而且直接影響焊縫區的強韌性匹配，為了提高管線鋼的強度可在焊絲設計方面考慮與母材成分含量相似的焊絲合金系，并且加入適當的韌化、細化晶粒的微合金元素和稀土元素來保證焊縫區的韌性。

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Effect of Filler Metal on Weld Microstructure Properties of X100 Pipeline Steel

MA Wenjun1，2,LI Lin1，2,ZHANG Min2,ZHANG Ani1
(1.Shaanxi Xiyu Non-destructive Testing Company,Yangling 712100,Shaanxi,China；2.School of Materials Science and Engineering,Xi’ an University of Technology,Xi’an 710048,China)

The double wire submerged arc welding experiment of X100 pipeline steel was conducted by adopting the automatic submerged arc welding machine and welding thermal simulation testing machine,the changing situation and effect factors of weld zone microstructure properties under different welding process were analyzed,and the influence rule of filler metal on microstructure properties of X100 pipeline steel were studied.The results showed that the weld microstructure prepared by double wire submerged arc welding consist of acicular ferrite,granular bainite and a small amount of proeutectoid ferrite,the microstructure is small,the toughness is better than that of base metal,and the strength needs to be improved.The weld zone microstructure of X100 pipeline steel prepared by welding thermal simulation consist of lath bainite and a small amount of granular bainite,the toughness of weld zone is consistent with the base metal.

welding;X100 pipeline steel；weld microstructure;filler metal；mechanical properties

TG422.1

A

1001－3938（2015）05－0018－04

馬文軍（1985—），男，助理工程師，主要從事焊接技術相關工作。

2014－09－09

李紅麗