X70管線鋼焊接用自保護藥芯焊絲研制

（廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣東廣州 510650）

X70管線鋼焊接用自保護藥芯焊絲研制

劉鳳美，易江龍，郭春富，萬 娣，牛 犇，王鍵益

（廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣東廣州 510650）

制備了3種不同合金成分的TiO2-MgO-Al2O3熔渣體系自保護藥芯焊絲，研究焊縫熔敷金屬性能，得到工藝性能較好的T50SS-3藥芯焊絲。采用X射線探傷、金相顯微鏡、SEM等測試方法，研究藥芯焊絲的焊縫宏觀、微觀組織、斷口形貌及夾雜物分布、尺寸和成分。結果表明，焊縫無未焊透、咬邊、氣孔、夾渣等缺陷，微觀組織主要為低分散型貝氏體+少量鐵素體，中間為奧氏體顆粒，非金屬夾雜為鋯的氧化物為形核中心形成鋁的氮化物，彌散均勻分布。

X70管線鋼；自保護焊接；藥芯焊絲；微觀組織；非金屬夾雜

0 前言

X70管線鋼是一種高強度低合金鋼，在常溫下具有較高的機械強度及良好的韌性[1]，主要用于大口徑管線建設[2-3]，已成功應用于西氣東輸一期工程。自保護藥芯焊絲是一種在沒有外加氣體保護下進行焊接的新型焊接材料，它僅靠焊接過程中自身藥芯組分中的造渣、造氣等物質對焊縫金屬進行保護，并通過過渡具有特定功能的合金元素達到實際工況所需的性能指標，操作便捷，廣泛應用于X70管線鋼的現場組對焊接[4-5]。我國在西氣東輸工程中所使用的X70管線鋼管道焊接自保護藥芯焊絲全部源于進口，這說明我國自保護藥芯焊絲的發展水平與國外有著較大差距，隨著我國管線建設的發展，開展自保護藥芯焊絲的理論研究及開發應用日益迫切[6]。

自保護藥芯焊絲渣系的選擇對焊接工藝性能和焊縫力學性能起決定性作用，本研究采用優選的TiO2-MgO-Al2O3熔渣體系[7-10]，加以脫氧劑、穩弧劑和合金劑等配方，制備出3種不同成分含量的藥芯焊絲T50SS進行X70管線鋼對接試驗，對比焊縫金屬的力學性能和低溫沖擊功，并采用X射線探傷儀、掃描電鏡對整體性能較好的自保護藥芯焊絲3#施焊后的焊接接頭進行焊縫金屬的顯微組織觀察、力學性能及低溫沖擊功測試。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣制備

試驗選用TiO2-MgO-Al2O3熔渣體系，選擇不同的合金成分，采用天津旭智公司生產的XZ-YCX8藥芯焊絲生產設備制備3種藥芯焊絲，焊絲直徑為1.6 mm，填充率23%，藥芯主要成分如表1所示。母材采用20 mm厚的X70管線鋼鋼板。

表1 自保護藥芯焊絲藥芯成分%

使用NBG-500x型焊機，將制備好的3種藥芯焊絲在X70管線鋼上施焊，焊接工藝參數如表2所示，熔敷金屬焊接接頭按照GB/T 17493-2008標準在平焊位置進行多層多道焊。電源極性為直流正接，焊絲伸長量20～25 mm。

表2 主要焊接工藝參數

1.2 性能測試

性能測試取樣根據國家標準GB/T 17493-2008，坡口和試驗取樣如圖1所示。

圖1 熔敷金屬試驗坡口和試驗取樣示意

采用GP-TS2000M/100KN萬能試驗機檢測焊接接頭力學性能，X射線探傷儀分析焊縫缺陷，XTL-3400D型體式顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌，DMM-440D型金相顯微鏡、JSM840型掃描電子顯微鏡分析焊縫組織形貌、元素分布、夾雜物尺寸和斷口形貌。金相分析采用標準金相程序金相機械拋光，并用4%硝酸溶液進行腐蝕。

2 結果和分析

2.1 不同合金成分自保護藥芯焊絲熔敷金屬性能

X70管線鋼接頭在復雜的地質條件和惡劣的氣候條件下工作，接頭的力學性能和低溫沖擊功是管線鋼能否長期服役的關鍵。對藥芯焊絲施焊后的焊接接頭進行力學性能和低溫沖擊功的檢測，結果如表3所示。

表3 不同合金成分自保護藥芯焊絲焊縫性能

由表3可知，3#藥芯焊絲施焊X70管線鋼的焊接接頭屈服強度、拉伸強度和伸長率相對較大，而-20℃低溫沖擊功最小，其整體性能滿足ISO 17632-A-T50-2Mn1NiZN2H5藥芯焊絲的要求。

2.2 焊縫金屬組織及夾雜物分析

3#藥芯焊絲施焊X70管線鋼的焊接接頭的宏觀照片及X射線探傷底片如圖2所示，焊縫金屬無氣孔、夾渣、未焊透等焊接缺陷。

圖2 焊縫的宏觀照片及X射線探傷底片

焊縫宏觀組織如圖3所示，可以看出，焊縫成形美觀，無未焊透、咬邊、夾渣等缺陷。3#藥芯焊絲具有良好的焊接工藝性能。

圖3 焊接接頭宏觀組織

焊縫微觀組織如圖4所示，其金相組織主要為低分散型貝氏體和少量鐵素體，中間為奧氏體顆粒。焊縫金屬中非金屬夾雜物含量如圖5所示，可以看出，在焊縫金屬中非金屬夾雜彌散顆粒的相對均勻分布較為典型，鋁的氮化物和氧化物占優勢。氧化物和氮化物的非金屬夾雜物具有不規則的形狀，在金相組織中呈灰色和黑色，非金屬夾雜物硬度HV0.01=258，夾雜比例為0.3%。其尺寸分布如圖6所示。

圖4 焊接接頭微觀組織

圖5 焊縫金屬非金屬夾雜物金相照片

圖6 非金屬夾雜物的典型分布

非金屬夾雜物分布數值如表4所示，焊縫金屬的顯微研究顯示出粒度相對較小的球形顆粒均勻分布。焊縫金屬典型夾雜形貌如圖7所示。典型夾雜的光譜成分如圖8所示。

75%以上的夾雜物尺寸小于或等于1 μm。為進一步研究非金屬夾雜物的形貌組織，利用掃描電子顯微鏡對其進行觀察。

從化學成分來看，非金屬夾雜物的主要成分為Al、Zr、Mn的復合氧化物，推測可能是以鋯的氧化物為形核中心，再在此基礎上形成鋁的氮化物的非金屬夾雜物。

表4 非金屬夾雜物分布的數據統計

圖7 焊縫金屬典型夾雜形貌

2.3 焊縫斷口形貌分析

為研究焊縫組織在拉伸及沖擊斷裂過程中的斷裂行為，分別對拉伸斷口進行形貌及微觀組織分析。圖9為拉伸斷口宏觀照片及不同區域SEM圖。纖維區的韌窩組織分布不均勻，大韌窩組織分布較多，且存在少量夾雜物；放射區為組織均勻的等軸韌窩斷裂區，且深度較深，在測試區域內未觀察到韌窩組織中存在夾雜物。

圖8 焊縫金屬非金屬夾雜成分光譜分析

圖9 焊接接頭斷口宏觀照片及不同區域SEM圖

韌窩組織中夾雜的球形組織主要為Al的復合氧氮化物，在拉伸試驗中，夾雜物與熔敷金屬之間由于變形能力的差異在夾雜物與熔敷金屬交界處產生應力集中，致使微裂紋產生。為保護熔敷金屬不受空氣中氧氮的入侵，本研究在自保護藥芯焊絲中添加較多的Al。因此熔敷金屬中Al的含量增加，過高鋁先共析鐵素體不能形成細小的針狀鐵素體，且焊縫中AlN和其他氧化物含量增多，在沖擊變形時，這些脆性相導致其韌性較差。

3 結論

（1）采用自行研發的T50SS-3自保護藥芯焊絲焊接X70管線鋼，焊縫金屬屈服強度525.3 MPa，拉伸強度635.1 MPa，延伸率23.3%，-20℃低溫沖擊功46 J，整體性能滿足ISO17632-A-T50-2Mn1NiZN2H5藥芯焊絲的要求。

（2）T50SS-33自保護藥芯焊絲具有較好的焊接工藝性能，焊縫成形美觀，無未焊透、咬邊、夾渣等缺陷。

（3）焊縫金屬金相組織主要為低分散型貝氏體和少量鐵素體，中間為奧氏體顆粒，非金屬夾雜彌散顆粒的相對均勻分布較為典型，非金屬夾雜物是以鋯的氧化物為形核中心形成鋁的氮化物。

（4）熔敷金屬中，過高鋁先共析鐵素體不能形成細小的針狀鐵素體，且焊縫中AlN和其他氧化物含量增多，分布在韌窩組織中，形成夾雜物，在沖擊變形時，這些脆性相導致其韌性較差。

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Research on the self-shielded flux-cored wire for welding of X70 pipeline steel

LIU Fengmei，YI Jianglong，GUO Chunfu，WAN Di，NIU Ben，WANG Jianyi
（Guangdong Welding Institute（China-Ukraine E.O.Paton Institute of Welding），Key Laboratory of Guangdong Province of Modern Welding Technology，Guangzhou 510650，China）

Three kinds of TiO2-MgO-Al2O3slag system self-shielded flux-cored wires with different components are used to study the properties of the deposited metal，and the T50SS-3 flux-cored wire is obtained.The X ray inspection，metallographic microscope，SEM are used to study the properties of the welded joints，including the macrostructure，microstructure and fracture appearance of the welds，and the distribution，size and composition of the inclusions.The results show that there are no defects such as lack of penetration，undercut，pores，slag and so on in the welds.The microstructure belongs to low dispersion bainite+a small amount of ferrite，intermediates are austenite grains，non-metallic inclusions are aluminum nitride，whose the nucleation occurs with zirconia，and distribute uniformly.

X70 pipeline steel；self-shield welding；flux-cored wire；microstructure；non-metallic inclusion

TG422.5

A

1001-2303（2017）09-0115-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.26

本文參考文獻引用格式：劉鳳美，易江龍，郭春富，等.X70管線鋼焊接用自保護藥芯焊絲研制[J].電焊機，2017，47（09）：115-119.

2017-04-27；

2017-06-12

廣州市科技計劃項目（201508030024）；廣東省科學院項目（2016GDASPT-0205）；廣東省項目（2012 A061400011，2015B050502005，2014B050503004）

劉鳳美（1977—），女，高級工程師，主要從事焊接材料及焊接工藝的研究工作。E-mail：liufm@gwi.gd.cn。