X80鋼高韌性焊縫中夾雜物及析出物分析

黃治軍,鄧照軍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,湖北 武漢 430080)

1 概述

隨著我國鋼鐵工業及石油天然氣管線工業的發展,X80鋼已逐步成為我國管線工程的主要鋼種,將得到越來越多的應用。長輸管線所經地區地形條件復雜、氣候波動大,因此對X80鋼性能的要求也越來越高。

氣體保護焊和埋弧焊是管線主要的焊接方法。焊接接頭作為管線中的重要部分,同樣需要優良性能。為此,寶鋼研制了與X80鋼配套的氣體保護焊絲和埋弧焊焊絲,焊接熔敷金屬及X80鋼對接焊縫的強韌性等試驗結果也完全滿足X80鋼技術條件要求,即抗拉強度≥625 MPa,-20 ℃沖擊功單個值≥60 J、平均值≥80 J,并有較高的富裕[1-3]。這些焊絲除了采用Ni、Cr等合金元素外,還進行了微合金化,提高焊縫韌性。

目前,采用超快冷軋鋼技術降低合金含量進行綠色減量化制造逐漸成為一種趨勢。利用鈮及控軋控冷工藝的顯著作用,采用低碳高鈮的C-Mn-Cr-Nb合金系替代含鉬、鎳等昂貴合金元素的傳統C-Mn-Mo-Ni-Nb合金系,通過固溶強化、相變強化、析出強化等機制來獲得高強度、良好的低溫韌性等[4]。業界對鋼中的Nb行為研究較多,對焊接熱影響區Nb行為也有所報道[5-6],但對焊縫Nb的行為的分析幾乎為空白;本文作者曾結合超快冷含Nb經濟型X70鋼對其埋弧焊縫中夾雜物進行過初步觀察,無論是焊態焊縫還是受熱焊縫,透射電鏡觀察的析出物尺寸為200 nm～1.5 μm,個別細小達80 nm,主要是Ti、Al、Mn或Si的氧化物,并不含Nb[4],顯示X70鋼焊態焊縫中難以形成幾十納米以上尺寸的含Nb析出物及雜夾物。本文將結合X80鋼埋弧焊及氣體保護焊高韌性焊態及熱變態焊縫,分析其析出物特點,對充分利用夾雜物及析出物提高焊縫韌性具有較大意義。

2 X80焊態焊縫中夾雜物分析

2.1 試驗條件

試驗用氣體保護焊絲及埋弧焊絲焊接熔敷金屬的主要化學成分如表1所示。主要含有Ni、Cr、Mo等合金元素及微量Ti、B等,焊縫中產生高熔點微細顆粒,作為熔池形核質點,促進焊縫中產生高比例的晶內細針狀鐵素體,提高焊縫金屬的強韌性。熔敷金屬力學性能如表2所示。

表1 熔敷金屬主要化學成分

表2 熔敷金屬力學性能

試驗用X80鋼厚度為17.5 mm,其化學成分及主要力學性能分別如表3及表4所示。

表3 X80鋼成分

表4 X80鋼性能

2.2 氣體保護焊縫沖擊斷口及夾雜物分析

管線現場安裝為全位置焊接,包括平焊、向上/下、仰焊等各種不同工位,因此對焊接線能量有嚴格限制,一般為15 kJ/cm左右,本文焊接試驗線能量也照此執行。焊接坡口如圖1所示,對于17.5 mm厚鋼板需多道焊才能完成。對于線能量不大的氣體保護焊,母材熔入焊縫較少,因此焊縫成分主要由焊絲及保護氣體決定。對焊接接頭進行了力學性能試驗,拉伸及彎曲性能全部合格,沖擊韌性高。用Quanta 400掃描電鏡配合能譜儀進行了沖擊試樣斷口形貌及夾雜物分析。

圖1 氣體保護焊坡口示意圖

氣體保護焊縫斷口低倍形貌斷面下部約占2/3面積微觀形貌為韌窩特征,上部1/3面積為解理特征。一些韌窩中可見夾雜物,焊縫沖擊斷口兩個典型試樣的SEM形貌及夾雜的能譜分析見圖2,左圖為SEM掃描圖,右圖為斷口韌窩中夾雜物特征元素能譜分析圖。

圖2 GMAW焊縫沖擊斷口形貌及夾雜物特征能譜分析

GMAW焊縫具有很高的沖擊功,a試樣-30 ℃Akv2為152J,b試樣更是高達192 J。a試樣中的夾雜物主要是以Ti為主、少量Si和Al的細顆粒,夾雜物尺寸約為0.8 μm。b試樣中的夾雜物主要有兩種:Ti化物及Ti、Ca、Si、Al、Mg復合氧化物夾雜,夾雜物尺寸約為0.8 μm。經分析,氣體保護焊縫中含有0.025%左右的Ti及微量Ca及Al,有利于形成以Ti、Ca、Si為主的微細夾雜物,保證了焊縫的韌性。

2.3 埋弧焊縫沖擊斷口及夾雜物分析

高速螺旋埋弧焊一般為二道焊,先進行內焊,再進行外焊,外焊前不需清根,采用大電流焊接,能保證得到全熔透焊縫。本埋弧焊試驗制作參考了這些條件,對于17.5 mm厚鋼板,采用圖3所示雙Y型坡口。焊接線能量第一面為28 kJ/cm,第二面為35 kJ/cm。由于線能量及鈍邊都較大,母材熔入焊縫較多,因此焊縫成分主要由焊材及母材決定。這樣,不論焊材中是否加Nb,焊縫中都將有可觀的來自母材的Nb,從而提供了研究Nb行為的機會。對焊接接頭進行了力學性能試驗,拉伸及彎曲性能全部合格,焊縫沖擊韌性高。對焊縫沖擊試樣斷口進行了SEM分析。

圖3 埋弧焊坡口示意圖及焊縫宏觀形貌

埋弧焊縫沖擊斷口形貌及韌窩中的夾雜物分析如圖4所示。

在埋弧焊縫樣的夾雜中,Si、Al及O的分布基本上是在一起的,這些元素聚集的某些部位也含有Ti,但某些Ti集中的部位Si、Al較少。從圖4(a)焊縫夾雜物電鏡掃描圖(圖5)可以看出,Ca集中的部位基本上處于夾雜的心部,說明鈣化物在該種夾雜的形成中起到了形核的作用。其他化合物以鈣化物為中心聚集長大,而隨后包裹的主要是Ti、Si、Al及Mg等的氧化物。

圖4 埋弧焊縫沖擊斷口形貌及夾雜物特征能譜分析

圖5 SAW焊縫沖擊斷口夾雜物元素掃描分析

從熱力學看,不同元素形成氧化物的自由能由大到小順序是Ca、Al、Ti、Si和Mn,因此可以想到夾雜成分應是Ca、Al和Ti在中心,而Si和Mn在表面,如圖6(a)所示[5]。埋弧焊縫中夾雜物實際觀測結果示意圖如圖6(b)所示,預測與觀測結果相近,但略有區別。表明夾雜物的形成機理較為復雜,除了與氧化物自由能大小有關外,還與各元素的含量多少有關。夾雜物的形成是各種夾雜物形成元素綜合平衡的結果。

圖6 夾雜物元素分布

2.4 氣體保護焊與埋弧焊焊縫夾雜物比較

分析結果表明,沖擊功較高的氣體保護焊縫斷口表面韌窩中含有的夾雜物主要是直徑為0.5～0.8 μm的顆粒,主要由Ti、Ca、Si、Al、Mg等組成。埋弧焊縫沖擊斷口中的夾雜物大多為直徑2～5 μm的復合型顆粒,主要含有Si、Al、Ti、Ca及Mg,也有直徑小于1 μm的氧化鈦夾雜物。埋弧焊縫中出現最多的是直徑約為2～3 μm的Ti、Ca、Al、Si及Mg復合夾雜物,合金元素中當Al能譜線為最高時,Si和Ti等出現,但Ca極少。

分析可知:①以上斷口韌窩特征與解理特征的位置及所占比例充分說明沖擊功大小主要受缺口附近的斷裂特征的影響。例如,對于GMAW焊縫,盡管遠離缺口附近的解理特征占約1/3,但仍具有很高的沖擊功。②GMAW焊縫中的夾雜物尺寸明顯小于埋弧焊的。③氣體保護焊韌窩中的夾雜物以細小的Ti、Si的氧化物為主,沖擊功最高;而埋弧焊縫中以尺寸較大的Al、Si、Ti氧化物為主,韌性有所下降但仍保持有較高水平。④焊縫中各種氧化物的形成與其含量多少有關。Si含量的作用是雙重的,有一定的Si是有益的。由于焊劑中含有一定的Al,焊縫中出現含Al夾雜物是不可避免的。不過,如果含Al夾雜物尺寸細小,如本文的2～3 μm,仍可保證焊縫具有較高韌性。⑤焊縫中出現的夾雜物大部分是復合型的,產生于焊縫熔化及結晶過程中,復合類型影響夾雜物的尺寸。

晶內細針狀鐵素體一般寬約2 μm,寬與長之比為1∶3～1∶10。在沖擊斷口觀察到的這些夾雜物尺寸級別大多數與細針狀鐵素體相當,它們在熔池結晶及后續的固態相變中能阻止焊縫晶粒長大;在多道焊情況下焊縫金屬受后道焊加熱時也能發揮這樣的作用,從而提高焊縫的韌性。

而從X80鋼焊態焊縫沖擊斷口夾雜物SEM觀察結果看,無論是氣體保護焊縫還是埋弧焊縫,夾雜物中均未發現Nb,與文獻[4]的研究結果相同。

3 X80埋弧焊縫熱變處理后析出物及夾雜物分析

超快冷鋼一般要加入較多的Nb及微量Ti、V。Nb在奧氏體中以三種形態存在:加熱時未溶解的Nb(C,N)、奧氏體中的固溶Nb以及軋制時在奧氏體中新析出的Nb(C,N)。當鋼中含Nb量不同、鋼的軋制工藝等條件不同時,固溶Nb與析出Nb的比例會發生變化[6]。超快冷鋼中微小的析出相能有效阻止奧氏體晶粒長大和抑制奧氏體再結晶,使變形奧氏體中存在高密度的位錯和變形帶,提高母材強度。在冷速25 K/s 的超快冷X80鋼試樣中全部為針狀鐵素體,長寬比大于3。呈犬牙交錯的狀態,寬度大約為250 nm,基體上有析出物,均為Nb( C、N) 及Ti( C、N) 的復合析出物,尺寸大約為10～25 nm,如圖7,冷速的提高細化了基體組織及Nb、Ti 的析出物,這些因素共同導致了強度及韌性的顯著提升[7]。

圖7 X80鋼中含Nb納米析出物

焊接熱影響區粗晶區(CGHAZ) 析出相主要為TixNb1-x(CyN1-y)復合粒子,其尺寸大多數在 100 nm 以下。這些納米級別的粒子有效釘扎奧氏體晶粒尺寸,提高焊接熱影響區韌性[8]。而X80鋼含Nb量不同時,CGHAZ中析出物尺寸分布也有所不同[9],如圖8所示。

圖8 不同Nb含量X80鋼CGHAZ析出物尺寸分布

焊態焊縫只是一種鑄態金屬,與經控軋控冷的含Nb母材相比,焊縫中Nb的析出缺少了一個重要的有利條件——再結晶溫度下變形位錯,在焊態焊縫及焊縫再熱區都難以發現含Nb析出物。為了在焊縫中得到含Nb析出物,本文對埋弧焊接頭進行了熱變處理,并進行了力學性能試驗。用電解雙噴法制備焊縫金屬透射電鏡薄膜樣品,采用JEM-2100F型透射電鏡對試樣中的組織及析出相進行觀察。幾種Ti、Nb微合金化焊縫析出相透鏡觀察分析如圖9所示。圖9所標3個析出物組分基本相同,主要含Nb,尺寸為幾十納米,屬納米級,分布在針狀鐵素體上及晶間。顯然,含Nb納米級析出物形成于熱變處理過程,其與母材軋制工藝有一定類似。

圖9 X80熱變焊縫中含Nb納米析出相TEM分析(-20 ℃ Akv2=149 J)

用TEM觀察到的這些析出物,其尺寸有的與細針狀鐵素體相當,有的小很多。這些析出物位于針狀鐵素體中及晶界上,它們主要形成于焊材及母材熔化和熔池結晶過程中,也有部分在結晶后高溫狀態下析出,是細針狀鐵素體的形核質點,且能阻止焊縫晶粒長大,從本質上提高整個焊縫的強韌性。

圖10所標5個夾雜物組分基本相同,主要含Ti,Al等,未見Nb,分布于針狀鐵素體間。還有較多夾雜物以O、Al、 Mn,、Si為主。多數夾雜物為微米級,成分基本均勻。

圖10 X80熱變焊縫中微米級夾雜物TEM分析

有趣的是還發現了一個半透明的氧化物,用SEM進行了元素面分布分析,顯示Ti處于夾雜物外層,如圖11所示,表現為一種核殼結構。

圖11 核殼結構夾雜物元素SEM分布圖

X80鋼熱變焊縫中,微米級夾雜物仍是主要的,與針狀鐵素體大體相當。重要的是如愿得到新的特別是含Nb的納米級析出物。這些夾雜物尺寸范圍較寬,形成于不同階段,可以想見,他們在針狀鐵素體形核及細化方面發揮了作用。

4 結論

(1) 氣體保護焊縫沖擊試樣斷口上觀察到的夾雜物主要含有Ti、Si、Ca及少量Al及Mg等,不含Nb,夾雜物直徑多為0.5～0.8 μm。

(2) 埋弧焊縫沖擊試樣斷口上觀察到的夾雜物主要含Si、Ti、Al、Ca、Mg等,不含Nb,以氧化物為主,其成分由焊絲、焊劑及母材決定,夾雜物直徑多為2～5μm。

(3) 埋弧焊接頭進行熱變處理后,TEM觀察到焊縫中形成了含Nb納米級析出物,SEM觀察到個別無Nb夾雜物呈核殼結構。

(4) 夾雜物的組成由各元素氧化物形成自由能及含量所決定,焊縫顯示出氧化物冶金特征。這些雜夾物/析出物彌散分布于針狀鐵素體晶內及晶界,起到細化焊縫晶粒、提高強韌性作用。