高強度管線鋼焊接性研究現狀*

黃景鵬，徐學利，王洪鐸，鄭梗梗

(西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065)

高強度管線鋼焊接性研究現狀*

黃景鵬，徐學利，王洪鐸，鄭梗梗

(西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065)

為了進一步提高我國高強度管線鋼的焊接水平，促進管線工程以及焊接技術的發展，根據目前我國管道工程的發展,討論了高強度管線鋼存在的焊接性問題，主要針對焊縫金屬的強韌化匹配問題、冷裂紋問題以及HAZ的脆化問題的研究現狀進行了總結。同時，結合存在的焊接性問題提出了相應的預防措施，建議提高焊接接頭的韌性可以通過成分、工藝兩方面因素來考慮；防止冷裂紋產生可從氫含量、淬硬組織、應力三個方面進行控制；提高焊接熱影響區的韌性，可以采用激光焊、超窄間隙GMA焊、脈沖MAG焊等低熱輸入的焊接方法。

高強度管線鋼；焊接性；強韌化；冷裂紋；HAZ脆化

1 高強度管線鋼的焊接性問題

近年來，隨著管道工程的發展以及焊接技術的進步，油氣輸送管道趨向于大直徑，輸送介質復雜，輸送壓力增大，而且管線的使用條件越來越苛刻。因此，管道材料的研究正朝著高強度、高韌性以及優良的現場焊接性等多方面發展[1]。這就要求管線鋼不僅具有優良的強韌性等綜合力學性能，而且還要具有良好的焊接性。焊接性的好壞是評價管線鋼使用性能的主要指標之一。焊接性、焊接材料以及相應的焊接工藝是管線鋼焊接的三個基本要素，三者密不可分。隨著管線鋼強度級別的提高和合金元素含量的增加以及焊接工藝條件的變化，都會引起各種焊接性問題[2]。尤其是焊縫金屬的強韌化匹配、冷裂紋以及HAZ的脆化問題。

2 高強度管線鋼焊接性研究

2.1 焊縫的強韌化匹配

高強度管線鋼焊接性分析中首先考慮的是保證焊縫金屬的強度性能，同時韌性下降也是焊接過程中不容忽視的問題。焊縫金屬主要是通過合金化控制焊縫的組織實現強韌化。對于高強度管線鋼而言，若焊縫金屬強度過高，將導致焊縫韌性、塑性、抗裂性下降，從而降低焊接結構的使用安全性。要實現焊縫金屬與母材的等匹配較為困難，因為隨著強度級別的提高，碳當量增大，焊縫的冷裂傾向增大。要實現焊縫的強韌化，并避免冷裂紋，需開發與母材性能相匹配的焊接材料，但在這方面尚無成熟的經驗[3]。另外，從匹配上分析，在管線鋼強度很高的情況下，采用“低強匹配”雖然對焊縫韌性要求有所提高，但減少了管道現場施工的難度，焊縫開裂傾向也有所降低。實踐證明，“低強匹配”的焊縫往往能提高焊縫的韌性和抗冷裂紋敏感性，提高焊接結構的疲勞壽命，從而獲得良好的使用性能和較高的經濟效益。

同時，為了提高焊接接頭的韌性，還可以通過兩方面來考慮：一是成分因素，二是工藝因素。焊縫的化學成分包括有害雜質元素和合金元素，有害雜質元素包括S、P、N、O和H，其中S、P和H的含量應越低越好，w(N)應控制在0.002 8％～0.005 5％，w(O)應控制在 0.027％～0.032％。減少焊縫中的有害雜質元素，對焊縫的韌性有重要的影響。合金元素主要包括Mn、Si、V、Mo、Nb、Ti和B等。為減少C元素對管線鋼韌性和焊接性的不良影響，管線鋼中的C含量不斷降低，為彌補由此帶來的強度損失就必須通過添加其他合金元素來補充,或采用新的成分和組織設計[4]。合金元素對焊縫韌性的影響比較復雜，只有當合金元素含量保持在一定范圍內才對改善韌性有利；另外有些元素的韌化作用要受到其他元素的影響，如Ti和B的韌化作用與O和N有密切關系；熱處理對合金元素發揮作用也有影響，如用Nb和V來韌化焊縫時,焊后必須進行正火處理。通過以上分析，焊接時應根據焊接接頭對韌性的需求選擇成分合適的焊接材料[5]。同時也可以通過改變焊接方法、坡口角度等方式選擇合適的熔合比來提高焊接接頭的韌性。

2.2 管線鋼的焊接冷裂紋傾向

大量生產實踐以及理論分析研究表明：冷裂紋產生的三要素是焊接接頭中擴散氫含量、淬硬傾向和拘束應力。在焊接高溫的作用下，熔池中溶解了大量的氫(此時熔池中主要成分是奧氏體，氫的溶解度比較大)，而在隨后的冷卻和凝固過程中，奧氏體相變為鐵素體的過程會卻引起氫的溶解度急劇降低，而此時氫極力逸出，但因冷卻速度很快，氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，從而使氫處于過飽和狀態，當氫的濃度足夠高時，將產生裂紋[6]。同時，高強鋼因母材的碳當量較低，熔敷金屬的碳當量較高，氫就被留在熔化的金屬中，從而在焊縫中出現冷裂紋。

高強鋼的淬硬傾向與含碳量、化學成分、冷卻條件和焊接工藝等因素有關，其中最主要的是含碳量。淬硬傾向越大，則容易產生裂紋。因為馬氏體是碳在α鐵中的過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格中，使鐵原子偏離平衡位置晶格發生畸變，致使組織處于硬化狀態。特別是在焊接條件下，加熱溫度很高使奧氏體晶粒發生嚴重長大，當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉變為粗大的馬氏體[5]。從金屬的強度理論可知[7-8]，馬氏體是一種脆硬組織，發生斷裂時將消耗較低的能量。因此，當焊接接頭中有馬氏體存在時，易于形成裂紋。同時冷裂紋發生的敏感程度一般和碳當量是同步的，即碳當量降低，淬硬傾向減小，冷裂紋傾向降低。但隨著強度級別的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。母材的低碳當量及高強度化，會促使冷裂紋發生的位置從HAZ轉移到焊縫，特別是在管線鋼現場鋪設安裝進行環縫焊接時，因常采用氫含量較高的纖維素焊條，容易產生脆硬低溫轉變產物，熱輸入小，冷卻速度較快，故而也會大大增加冷裂紋的敏感性[2]。

焊接接頭處的拘束應力也對冷裂紋起著很重要的作用。在焊接時，焊接區會受熱發生膨脹，因而會承受壓應力，冷卻時由于收縮又會受到拉應力。最終會在焊后產生不同程度的殘余應力。這種在不均勻加熱及冷卻過程中所產生的熱應力作用，會引起氫的聚集，誘發氫致裂紋。在不同的焊接條件下，需要多大的拘束力會產生裂紋，這對實際工程領域很重要。而隨著焊接時產生拘束應力的不斷增大，直至開始產生裂紋，此時的拘束應力為臨界拘束應力σcr。它反映各個因素的共同結果，因而可以將σcr作為評定冷裂紋敏感性的判據。

防止冷裂紋產生可從氫含量控制、淬硬組織控制、應力控制三個方面入手。控制氫含量有預熱、焊接材料的選用以及焊條的烘培等途徑。在目前管道施工中，使用最廣泛的焊接材料是纖維素型焊條，這是因為纖維素焊條易于操作，具有高的焊接速度，結晶區間小。但是，纖維素焊條的含氫量很高，因此在管道施工時預熱是防止冷裂紋產生的最有效方法。它通過延長冷卻時間，降低焊后冷卻速度，以促進氫的逸出，同時還可以改善焊接組織和減少應力。淬硬組織的控制主要是控制焊接線能量的大小，隨著焊接線能量的增加，t8/5增加，焊后冷卻速度減少，影響到奧氏體的轉變溫度，使其不易于形成淬硬組織，從而減少冷裂紋的發生。應力的控制主要是防止焊縫分布密集、消除應力集中，從而降低冷裂紋的產生。

2.3 HAZ的脆化

對于高強度管線鋼，由于管線鋼晶粒細小，在焊接熱循環作用下易發生晶粒長大。在焊接過程中，HAZ的溫度很高，其中粗晶區的溫度接近鋼材的固相線溫度，因而盡管高溫停留時間短，奧氏體晶粒仍急劇長大。當加熱溫度大于1 300℃而處于粗晶區時，奧氏體晶粒尺寸會明顯長大。由于晶粒越粗，晶界越少，對裂紋擴展的阻礙作用越小，從而導致粗晶區的脆化[9-10]，使裂紋更容易沿晶界擴展,使沖擊韌性更低[11-12]。因此高強度管線鋼焊接后，與母材晶粒相比，其HAZ區的奧氏體晶粒將嚴重粗化，使母材不再具有之前的優異性能。

為控制在高熱輸入下管線鋼焊接熱影響區的晶粒長大，可通過向鋼中加入微合金元素來實現。圖1為金屬元素對晶粒直徑的影響。由圖1可以看出，Ti是一種在焊接峰值溫度下能生成穩定的TiN而控制晶粒長大的元素。TiN是阻止晶粒長大的有效析出粒子，高溫難熔的細小彌散TiN粒子，拖曳和釘扎了高溫奧氏體晶界的遷移，TiN粒子尺寸越細小，數目越多，細化奧氏體晶粒的作用越強。研究表明，即使在高達1 400℃的高溫下，TiN仍表現了很高的穩定性，從而有效抑制在高輸入下的奧氏體晶界的遷移和晶粒相互吞并的長大過程。目前管線鋼中最佳 w(Ti)=0.01％～0.03％，并保持Ti/N值＜3.5，因為Ti/N值過高或過低都會削弱這一細化作用。原因是在鋼中氮含量適當時，比理想化學配比稍低的Ti量限制了Ti在基體中的溶解度，減少了顆粒長大所必須的溶解原子擴散流，阻礙了TiN顆粒的長大。當鋼中的Ti/N值過小，鋼中含Ti嚴重不足，高溫下TiN顆粒數目太少，阻礙奧氏體晶粒長大的作用有限；當Ti/N值過大，鋼中Ti大量溶入基體，鋼液中析出的少量TiN顆粒會特別粗大，從而不能有效地阻礙奧氏體晶粒長大[13]。

圖1 金屬元素對晶粒直徑的影響

圖2 是不同鋼級管線鋼粗晶區沖擊韌性和焊接線能量之間的關系。由圖2可以看出，當焊接線能量為10～30 kJ/cm時，可使粗晶區有較好的韌性水平；當焊接線能量＞30 kJ/cm時，粗晶區的韌性下降很明顯，發生嚴重的脆化。因此，為了提高管線鋼焊接熱影響區的韌性，可以采用激光焊、超窄間隙GMA焊及脈沖MAG焊等低熱輸入的焊接方法[14]。

圖2 不同鋼級管線鋼粗晶區沖擊韌性和焊接線能量之間的關系

3 結 語

隨著當今管道工程以及鋼鐵工業的發展，對管線鋼的焊接性提出了更高的要求。因此，加強高強度管線鋼焊接性的研究，是焊接工作者當前和未來研究的重要課題，也對我國管線工程以及焊接技術的發展有著重大的意義。

[1]王儀康，楊柯，單以銀，等.高壓輸氣管線用鋼[J].焊管，2002，25(1):1-9.

[2]李午申.我國合金結構鋼的新發展及其焊接性[J].焊接學報，2001(5):82-86.

[3]田志凌.面向二十一世紀的鋼鐵材料及其焊接技術[R].北京：鋼鐵研究總院，2000.

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[5]張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]林浩.船用高強度鋼焊接冷裂紋的形成和預防[J].造船技術，2003(3)：32-34.

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[8]上海交通大學.金屬斷口分析[M].北京：國防工業出版社，1979.

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[10]畢宗岳.管線鋼管焊接技術[M].北京：石油工業出版社，2013.

[11]王勇，韓濤，劉敏.X70管線鋼焊接熱影響區的局部脆性[J].材料工程,1999(10)：14-16.

[12]張小立，莊傳晶，馮耀榮，等.X80級管線鋼熱影響區的局部脆化[J].鋼鐵，2007(3)：69-72.

[13]屈朝霞，田志凌，杜則裕，等.超細晶粒鋼HAZ晶粒長大的規律[J].焊接學報，2000(4)：9-12.

[14]李午申.新一代鋼鐵材料及其焊接性的發展[J].焊接技術，2001(S1)：13-15.

Research Current Status of High Strength Pipeline Steel Weldability

HUANG Jingpeng,XU Xueli,WANG Hongduo,ZHENG Genggeng
(School of Materials Science and Engineering，Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

In order to further increase the welding level of China domestic high strength pipeline steel,promote the development of pipeline engineering and welding technology,according to the development of pipeline engineering in our country,it discussed the weldability problem existed in high strength pipeline,and summarized the research status of some problems,such as the strength and toughness matching of weld metal,cold crack problem and HAZ embrittlement.At the same time,it put forward the corresponding preventive measures combined with weldability problems.It suggested that the toughness of welded joints can be increased from composition and welding process;the cold crack can be controlled from three aspects,including hydrogen content,hardening organization and stress;the toughness of HAZ can be enhanced by using low heat input welding methods,such as laser welding,ultra narrow gap GMA welding,pulse MAG welding and so on.

high strength pipeline steel;weldability;strengthening and toughening;cold crack;HAZ embrittlement

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.005

陜西省重點學科專項資金資助項目“西安石油大學材料科學與工程省級優勢學科資助項目”(項目號ys37020203)。

黃景鵬(1992—)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向為金屬材料的焊接性。

2016-03-20

黃蔚莉