X80管線鋼焊接工藝熱模擬

由宗彬, 李東艷, 李燁錚, 閆 臣, 劉 宇

(1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司, 廊坊 065001；2.輸油輸氣輸送安全國家工程試驗室, 廊坊 065001；3.國家管網集團華北天然氣管道有限公司, 天津 300000)

隨著管線鋼鋼材強度的提高，高鋼級管線鋼焊接接頭產生焊接冷裂紋的傾向也增大。因此制定合理的焊接工藝，避免焊接冷裂紋的產生是焊接生產的關鍵。以往焊接工藝參數的確定是以焊接工藝評定試驗來確定。在實際的工作中主要根據掌握的材料焊接性能再結合工程特點與設計、工藝要求及合格的焊接工藝制定出適合具體施工要求的焊接工藝參數[1]。而模擬焊接試驗則可以節約大量的人力和物力，因此現在常采用模擬焊接試驗來研究材料的焊接性能，從而確定焊接工藝參數。筆者采用Gleeble 3500型熱模擬試驗機對X80管線鋼進行模擬，繪制出了X80鋼的模擬焊接熱影響區連續冷卻轉變(SHCCT)曲線，分析了顯微組織和硬度隨冷卻速率的變化情況。通過分析典型熱輸入對X80鋼熱影響區沖擊韌性的影響，結合組織和硬度隨冷卻速率的變化情況，以及冷裂紋敏感性指數的計算，提出了X80鋼焊接時較合理的熱輸入范圍。

1 試驗材料及試驗方法

試驗材料選自某廠生產的X80管線鋼直縫埋弧焊管，生產工藝為熱機械控制工藝(TMCP)，其化學成分見表1。鋼管的力學性能優良，屈服強度為601 MPa,抗拉強度為677 MPa，斷后伸長率為25.5%，沖擊吸收能量為329 J。

表1 X80管線鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of X80 pipeline steel (mass fraction) %

熱模擬試樣在距離管體焊縫90°的管體橫向位置取樣，試樣取自1/4壁厚位置，分別加工出尺寸為φ6 mm×90 mm和10.5 mm×10.5 mm×75mm的兩種試樣，SHCCT曲線的繪制選取φ6 mm×90 mm試樣，加熱速率為130 ℃·s-1，加熱的最高溫度為1 300 ℃，保溫時間為1 s，然后以60 ℃·s-1的冷卻速率冷卻至900 ℃，之后分別以0.2,0.5,1,2,5,10,20,40 ℃·s-1的冷卻速率冷卻到室溫。通過熱膨脹儀實時采集膨脹曲線，利用切線法確定相轉變溫度點，并通過觀察試樣的顯微組織和測試維氏硬度結果，繪制出試樣的SHCCT曲線。之后在10.5 mm×10.5 mm×75 mm的試樣上分別進行熱輸入為5，10，20，30 kJ·cm-1的焊接熱循環模擬，試驗采用Rykalin 2D 模型，加熱速率為130 ℃·s-1，峰值溫度為1 350 ℃，峰值保溫時間1 s，預熱溫度150 ℃，然后將試樣加工成帶V型缺口的10 mm×10 mm×55 mm沖擊試樣，之后進行-20 ℃的夏比沖擊試驗[2]。

2 試驗結果與討論

2.1 冷裂紋敏感性指數的計算

首先計算X80鋼的焊接冷裂紋敏感性指數Pcm，在Pcm指數的基礎上計算出焊接冷裂紋敏感性Pc，同時計算出不產生冷裂紋的預熱溫度T0，結果如表2所示。

表2 X80管線鋼的Pcm,Pc及T0Tab.2 Pcm, Pc and T0 of X80 pipeline steel

根據表2可知，X80鋼的Pcm小于0.2%，具有低焊接裂紋敏感性。在焊接過程中，應盡量采用能夠形成低氫或超低氫型焊縫的焊接材料，同時采取適當的焊接工藝方法，預熱溫度控制在47 ℃以上，避免焊接冷裂紋的產生。

2.2 SHCCT曲線

利用膨脹儀和熱模擬試驗機測得在不同冷卻速率下的膨脹曲線，通過切線法計算各膨脹曲線的相變開始點和相變結束點，然后利用杠桿法計算各冷卻速率下各相的體積分數，測試各冷卻速率下的維氏硬度，以時間的對數為橫坐標，溫度為縱坐標繪制SHCCT曲線，如圖1所示。

圖1 X80管線鋼SHCCT曲線Fig.1 SHCCT curves of X80 pipeline steel

X80鋼試樣在不同冷卻速率下的顯微組織形貌如圖2所示。當冷卻速率為0.2 ℃·s-1時，試樣的顯微組織為鐵素鐵+珠光體，當冷卻速率增加到0.5 ℃·s-1時，貝氏體開始析出，隨著冷卻速率的增加，鐵素體和珠光體的含量逐漸減少，貝氏體的含量逐漸增加，當冷卻速率達到5 ℃·s-1時，完全轉變為貝氏體組織。貝氏體主要以板條貝氏體為主，隨著冷卻速率的增加晶界內的鐵素體基體板條變細，馬/奧島(M/A)組織呈連續或半連續的形態分布在基體上，數量逐漸增多，同時組織取向也變得越加明顯。當冷卻速率達到20 ℃·s-1時，馬氏體組織開始析出，顯微組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體，隨著溫度的降低，貝氏體的含量逐漸減少，馬氏體的含量逐漸增加。馬氏體的組織硬而脆，因此，應避免在較快的冷卻速率下進行焊接[4]。

圖2 不同冷卻速率下X80管線鋼的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of X80 pipeline steel at different cooling rates

隨著冷卻速率的增加，硬度呈現出上升趨勢。當冷卻速率小于1 ℃·s-1時，顯微組織中含有大量的塊狀或多邊形鐵素體，并有少量的貝氏體，因而硬度較低，硬度為180～200 HV10。當冷卻速率大于1 ℃·s-1時，隨著冷卻速率的增加，貝氏體含量增加，貝氏體的形態由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變，M/A島的數量逐漸增多，分布更加均勻，導致顯微硬度上升，硬度為200～230 HV10。當冷卻速率大于10 ℃·s-1時，組織中開始析出淬硬性馬氏體組織，隨著冷卻速率的再增加，馬氏體組織的含量逐漸增加，硬度也逐漸上升，硬度大于230 HV10，主要原因是馬氏體組織內的板條貝氏體位錯密度較高，晶粒內部組織細小[5-6]。

2.3 不同熱輸入熱影響區的沖擊性能

在熱模擬試驗機上采用Rykalin 2D模型分別進行了熱輸入為5，10，20，30 kJ·cm-1的焊接熱循環試驗，模擬X80鋼在不同焊接熱輸入下焊接熱影響區粗晶區的沖擊性能，如表3所示。

由表3可知，當熱輸入為10～20 kJ·cm-1時，粗晶區的沖擊性能較好，此時的冷卻速率為5～21 ℃·s-1，SHCCT曲線對應冷卻速率為5～20 ℃·s-1的冷卻曲線，組織以粒狀貝氏體為主。當熱輸入為5 kJ·cm-1時，沖擊吸收能量為139 J，此時的冷卻速率為85 ℃·s-1，顯微組織應為馬氏體組織，當熱輸入為30 kJ·cm-1時，冷卻速率為2 ℃·s-1，SHCCT曲線對應冷卻速率為2 ℃·s-1的冷卻曲線，此時的顯微組織為鐵素體+板條貝氏體。通過上述試驗結果，可以初步判斷出適合X80鋼的最佳焊接熱輸入為10～20 kJ·cm-1[6]。

表3 不同焊接熱輸入下X80管線鋼的焊接熱影響區的粗晶區在-20 ℃下的沖擊吸收能量Tab.3 Impact absorption energy of coarse grain zone in welding heat affected zone of X80 pipeline steel under different welding line energy at -20 ℃

3 結論

(1) X80鋼的冷裂紋敏感性指數Pcm小于0.2%，具有低焊接裂紋敏感性，焊接工藝的預熱溫度控制在47 ℃以上。

(2) 由SHCCT曲線可知，試樣的硬度隨著冷卻速率的增加而增加，當進入馬氏體相區時增加更為顯著，因此應避免在較快的冷卻速率下進行焊接。

(3) 根據熱模擬后試樣的沖擊吸收能量和對應的SHCCT曲線，初步判斷出X80鋼適合的焊接熱輸入為10～20 kJ·cm-1。