焊材匹配對低溫彎管焊縫組織和低溫沖擊韌性的影響*

包志剛， 馬佼佼， 李 超， 田小江， 張 君， 趙西岐

（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）

0 前 言

近年來， 隨著世界各國石油和天然氣需求量的急劇增加， 管道工業也逐漸向邊遠地區、寒冷地帶和海洋發展[1-4]， 從而極大促進了低溫鋼管及管件的開發。 在低溫彎管及管件的開發中， 彎管采用熱煨彎管工藝進行生產， 但是在熱煨過程中焊縫金屬韌性降低的問題已成為制約熱煨彎管發展的瓶頸[5-9]。 本研究通過采用3種焊材匹配， 獲得不同Mn、 Ni 含量的焊縫，并采用熱模擬手段， 研究了熱煨加熱溫度對彎管焊縫組織和性能的影響， 從而對實際彎管的生產提供一定的參考。

1 試驗材料及方法

1.1 焊接材料及工藝

為了獲得不同成分的焊縫， 選用HZS1+HZJ1、 HZS1+HZJ2、 BSGS1+BSGJ1 三種焊材匹配， 采用串列四絲埋弧焊完成壁厚33.5 mm 低溫彎管的焊接， 不同焊材匹配下焊縫的化學成分見表1。 由表1 可以看出， 不同焊縫的化學成分差異主要為Mn 和Ni 的含量， 與HZS1+HZJ1 焊材匹配相比， HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫w（Mn）由1.67%增加到1.76%， 而BSGS1+BSGJ1 焊材所匹配的焊縫w（Mn）和w（Ni）則分別增加到1.91%和0.91%。

表1 不同焊材匹配下焊縫的化學成分

1.2 熱模擬試驗

實際熱煨彎管生產采用中頻感應加熱， 感應圈寬度為70 mm， 推進速度為35 mm/min，彎管實際加熱及保溫時間為120 s。 根據實際彎管的生產工藝及已有的模擬經驗[10-12]， 設計了厚壁彎管熱模擬試驗工藝， 如圖1 所示。 為研究加熱溫度對焊縫組織和性能的影響， 試驗采用的加熱溫度分別為900 ℃、 925 ℃、 950 ℃、975 ℃和1 000 ℃。 彎管經熱煨后還需回火，根據實際彎管生產回火工藝， 回火溫度540 ℃，保溫60 min。

圖1 厚壁彎管熱模擬試驗工藝

1.3 低溫沖擊試驗和焊縫組織分析

沿焊縫橫向截取試樣進行低溫沖擊試驗，低溫沖擊試驗溫度為-45 ℃。 采用DMI5000M型顯微鏡對焊縫焊態及模擬后不同溫度的組織進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫組織分析

HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 焊縫焊態組織為針狀鐵素體 （AF） +少量多邊形鐵素體 （PF）； 當加熱溫度為900～950 ℃時， 焊縫組織為多邊形鐵素體 （PF） +針狀鐵素體 （AF）， 且加熱溫度為925 ℃時針狀鐵素體含量較高； 隨著加熱溫度的升高， 針狀鐵素體板條粗大， 多邊形鐵素體也越來越粗大， 當加熱溫度為975 ℃時， 針狀鐵素體板條基本消失； 當加熱到1 000 ℃時， 多邊形鐵素體進一步長大， 大量粗大碳化物沿多邊形鐵素體晶界析出， 少量碳化物彌散分布在鐵素體基體上。

圖2 HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌

HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 焊縫焊態組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體， 隨著加熱溫度的升高， 針狀鐵素體變得粗大， 且含量減少。

BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌如圖4 所示。 由圖4 可以看出， 焊縫焊態組織為針狀鐵素體 （AF） +少量多邊形鐵素體 （PF）， 當加熱溫度為900～925 ℃時， 焊縫金相組織為多邊形鐵素體（PF） +針狀鐵素體 （AF）， 且組織較細小； 隨著加熱溫度的繼續升高， 針狀鐵素體逐漸減少， 多邊形鐵素體越來越粗大； 當加熱溫度升高至975 ℃時， 針狀鐵素體板條基本消失； 當加熱到1 000 ℃時， 焊縫組織為粗大的粒狀貝氏體。

圖3 HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌

圖4 BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊縫在不同加熱溫度下的金相組織形貌

2.2 沖擊性能分析

3 種焊材匹配下焊縫沖擊功隨加熱溫度的變化情況如圖5 所示。 由圖5 可看出， 在焊態下，3 種焊材匹配的焊縫夏比V 形沖擊功較高， 均在180 J 以上， 熱處理后降幅較大， 且沖擊較離散，尤其是HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材的匹配；HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊縫經過熱處理后沖擊功大幅降低， HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫熱處理后沖擊功下降相對較慢， 但每組都出現極低值， 離散度較大； BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊縫沖擊性能表現較好， 在加熱溫度為900 ℃和925 ℃時， 保持了較高的沖擊功， 雖然離散， 但是最低值為66 J， 當加熱溫度超過925 ℃時， 沖擊功下降較快。

圖5 不同焊材匹配下焊縫沖擊功隨加熱溫度的變化情況

3 分析討論

微合金鋼焊縫組織主要有先共析鐵素體（PF）、 側板條鐵素體 （SF）、 針狀鐵素體 （AF）以及少量的粒狀貝氏體 （GF）、 珠光體 （P）、M-A 組元和馬氏體（M）[13]。 AF 強度高， 抗裂性能和韌性好， 在微合金鋼的焊縫組織中期望得到更多的AF， 同時減少PF 和SF 的析出。 本研究3 種焊材匹配的焊縫在焊態下組織為針狀鐵素體（AF） +少量多邊形鐵素體（PF）， 具有較好的沖擊韌性。

HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫， 化學成分基本相同， 只有w（Mn） 有所差異。HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫中含有較多的Mn元素， 提高了焊縫的淬透性， 組織中保留了較多低溫轉變的針狀鐵素體， 熱處理后表現出較好的沖擊韌性。

BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊縫， 熱處理后組織細小， 沖擊韌性最好， 主要由于其含有較高Mn 和Ni。 Mn 和Ni 是兩種常用細化組織的元素， 可以提高強度和韌性， 還可降低奧氏體向鐵素體轉變的溫度。 另外， Ni 是非碳化物形成元素， 溶解于鐵素體中可以提高鐵素體的強度， 影響低溫時鐵素體位錯中心的結構， 進而提高塑性變形能力。 當Mn 和Ni 同時存在時， 在高Mn 區加Ni 反而會導致韌性降低， 相對于Mn 元素， Ni含量提高焊縫韌性更好。

焊縫組織隨著加熱溫度不同， 組織發生變化。當溫度升高時， 合金元素發生擴散與再分配， 鐵素體的生長將由Mn 等合金元素的擴散控制。 由于合金元素擴散速率比C 元素擴散速率低幾個數量級， 會導致鐵素體的生長速率急劇降低[14]， 裂紋易在多邊形鐵素體中擴展， 不利于焊縫韌性的提高[15]。

4 結 論

（1） 相比HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊縫， BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊縫含有較高的Mn 和Ni 元素， 有利于細化晶粒， 提高焊縫低溫沖擊韌性。

（2） 加熱溫度較低時， 微合金鋼焊縫能夠得到更多的AF 組織， 且組織更細小， 有利于韌性的提高， 加熱溫度宜在925 ℃以下。