裂紋及氣孔對多絲埋弧焊焊縫沖擊韌性的影響

劉斌， 劉云， 牛輝， 韋奉， 李霄

(1.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞 721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008;3.西安石油大學，西安 710065)

0 前言

隨著高效輸送需求的提出，在確保經濟安全的基礎上，長距離、高壓、大流量油氣輸送已經成為新一代管道發展的趨勢[1-3]。新一代大輸量油氣輸送管材由高強度管線鋼制備，控扎控冷工藝使其具備高強、高韌性特征，且具有良好的焊接性。由于埋弧焊具有焊接熔深大、速度快、焊接質量優良的特點，廣泛應用于管線管的制造及連接過程。厚壁鋼管制管焊接工藝選擇不合理容易造成焊不透、焊道斷續、咬邊等一系列問題，對接焊工藝不恰當容易出現根部未熔合、咬邊、夾渣、氣孔和裂紋等[4-5]。

缺陷是導致結構發生斷裂的關鍵因素，因此人們針對缺陷對材料斷裂行為的影響進行了深入的研究，建立了缺陷評價方法[6-7]。由于平面型缺陷對斷裂的影響遠遠大于體積型缺陷，因此關于斷裂的研究對象多為含裂紋體。在研究過程中通常采用的方法包括標準試驗法(斷裂韌性試驗方法)[8-9]、數值模擬法[10-13]、模擬缺陷法[13-14]，給出了不同情況下的缺陷容限及材料的斷裂韌度。新技術也在不斷引入研究中，試驗法采用基于數字圖像相關原理(Digital image correlation，DIC)的全場應變測試技術可進行動態裂紋擴展阻力曲線測試[9]，數值模擬利用擴展有限元法(Extended finite element method，XFEM)能夠進行裂紋擴展路徑的數值模擬[11]。延性裂紋擴展過程的實質是材料中所含的夾雜物或第二相粒子誘發空穴成核、長大及聚合，并且與宏觀裂紋連接形成延性裂紋擴展，利用Gurson-Tvergaard(G-T)損傷力學模型可以對該過程進行分析[15]。受制于裂紋預制技術的限制，目前采用模擬缺陷進行試驗驗證的研究大多針對的是體積型缺陷，如溝槽[13]、腐蝕或磨損造成的壁厚減薄[14]。

沖擊韌性是防止脆斷的重要評價指標，是壓力管道的基礎設計指標。在焊接接頭中韌性差的區域包括粗晶區和焊縫，由于焊縫為鑄態組織，更容易出現裂紋、氣孔等缺陷，目前缺陷對焊縫沖擊韌性的定量影響規律并不明確，而且也沒有相關的試驗方法。文中采用高精度加工方法制備了裂紋、氣孔缺陷，并通過試驗獲得了裂紋、氣孔對沖擊韌性的影響規律。

1 試驗方法

試驗材料取自X80鋼級管線管，其規格為φ1 422 mm×38.5 mm，焊材為寶雞石油鋼管有限責任公司自主研發的X80級管線鋼焊接用高強韌性焊絲及焊劑，焊絲直徑為φ4 mm，焊劑為氟堿性燒結焊劑。母材化學成分見表1。焊接工藝采用雙面多絲埋弧焊，內焊為四絲埋弧焊，外焊為五絲埋弧焊。

表1 X80管線鋼的化學成分(質量分數，%)

如圖1所示，沖擊試樣外形尺寸為2.5 mm×10 mm×55 mm(1/4試樣)，在同一環焊縫上沿著焊縫長度方向外表面取樣，如圖1a所示，缺口開在焊縫中心位置，壓制缺口后再進行缺陷的預制；缺陷的尺寸見表2；缺陷的位置如圖1b所示，其中L表示缺陷與缺口尖端之間的距離。

圖1 沖擊試樣

表2 預制缺陷尺寸及位置

焊縫中的預制裂紋缺陷、氣孔缺陷采用高精度精雕機床JDGR200_A10SH進行制備，加工裂紋的球頭刀具直徑為0.1 mm，加工氣孔的刀具直徑分別為1 mm，0.5 mm。由于刀具尺寸細小，無法進行大深度加工。因此含缺陷沖擊試樣取1/4試樣，即2.5 mm厚試樣。在缺陷加工過程中先從一面開始加工，然后再從另一面進行加工，以確保獲得穿透型氣孔及裂紋缺陷。同時，為了建立含缺陷試樣與全尺寸沖擊試樣(10 mm×10 mm×55 mm)之間沖擊吸收能量的換算關系，制備了不含缺陷的1/4試樣及全尺寸試樣。

沖擊試驗采用NAI500F擺錘式沖擊試驗機按GB/T 229—2007《金屬材料瞎比擺錘沖擊試驗方法》進行，試驗溫度為-10 ℃。

采用線切割機切取沖擊斷口處約10 mm長部分，采用丙酮除去油污，采用超聲清洗機清洗試樣，烘干后采用Zeiss supra55掃描電鏡進行斷口分析。

2 結果分析與討論

2.1 試樣尺寸對沖擊吸收能量的影響

在不同標準中都有全尺寸沖擊試樣及不同規格小尺寸沖擊試樣，見表3，ASTM，ISO國標中都有1/4試樣。因此對于受壁厚等因素制約的特殊情況，采用1/4試樣進行沖擊試驗滿足規范要求。

全尺寸試樣與1/4試樣的沖擊吸收能量之間存在一定關系，根據文獻[16]的推薦值，兩者之間的換算系數為0.25，即1/4試樣的沖擊吸收能量為全尺寸試樣的1/4。但是文獻[17]發現該換算系數取決于試驗溫度，且與試驗溫度呈非線性關系。

為確定文中涉及的全尺寸試樣與1/4試樣在-10 ℃沖擊吸收能量的換算關系，對比了2種尺寸試樣的試驗結果。3個全尺寸試樣的平均沖擊吸收能量AKV(10)=179.0 J，3個1/4尺寸試樣的平均沖擊吸收能量AKV(2.5)=30.3 J，因此確定沖擊吸收能量換算系數為AKV(2.5)/AKV(10)≈0.17。

2.2 預制氣孔對沖擊韌性的影響

當試樣中存在預制氣孔缺陷時，其沖擊吸收能量全部低于無缺陷試樣沖擊吸收能量，見表4，降低的幅度與氣孔直徑D、距缺口的距離L1有關。氣孔直徑的影響如圖2a所示，在距缺口的距離相同的情況下，隨著氣孔尺寸增大，沖擊韌性降低，氣孔的影響增大。距缺口的距離的影響如圖2b所示，在孔徑相同的情況下，隨著距離L1增大，沖擊韌性提高，預制氣孔的影響減小。

表4 預制缺陷對試樣的沖擊韌性的影響

圖2 預制氣孔對沖擊韌性的影響

相比于裂紋，氣孔的應力集中程度較低，而且一般認為氣孔有止裂作用，因此在對冷裂傾向大的材料進行補焊時需要在裂紋尖端鉆止裂孔，以防止焊接過程中裂紋擴展。

試驗結果說明所預制的氣孔并沒有起到止裂的作用，反而促進了主裂紋擴展，降低了裂紋擴展需要的能量。原因在于試驗中預制氣孔尺寸很小(表4)，其作用相當于微觀缺陷聚集、擴展形成裂紋的過程；只有當孔徑達到一定程度時，氣孔才能起到止裂作用。

2.3 預制裂紋對沖擊韌性的影響

含預制裂紋試樣的沖擊韌性見表4，除距離缺口為7 mm的預制裂紋外，含裂紋試樣的沖擊吸收能量均高于無裂紋試樣。

預制裂紋長度為1 mm時，沖擊吸收能量略高于無裂紋試樣的結果，當裂紋長度為2 mm時，沖擊吸收能量明顯高于無裂紋試樣的結果，即隨著預制裂紋長度增加，含裂紋試樣的沖擊吸收能量增大，如圖3a所示。

當裂紋長度B為1 mm時，沖擊吸收能量與裂紋距缺口的距離L2呈非線性關系；預制裂紋位置介于L2=1～5 mm時，沖擊吸收能量高于無缺陷試樣；當L2=3 mm時，裂紋位于沖擊試樣中間位置，此時的沖擊吸收能量最高；當L2=7 mm時，裂紋非常靠近沖擊試樣邊緣，此時的沖擊吸收能量低于無缺陷試樣結果，如圖3b所示。以上結果與一般預期存在差異，說明并非所有裂紋都會降低裂紋擴展阻力。關鍵原因在于文中涉及的預制裂紋方向均垂直于缺口和主裂紋擴展方向。若預制裂紋存在于主裂紋擴展路徑中，如圖4a所示，則預制裂紋的存在縮短了主裂紋擴展路徑，必然降低主裂紋擴展所需的能量，導致沖擊韌性降低。

圖3 裂紋對沖擊韌性的影響

當預制裂紋與主裂紋擴展路徑垂直時，主裂紋擴展過程如圖4b中A～E所示，A為主裂紋遇到預制裂紋的時刻，隨后主裂紋與預制裂紋合并，但該次涉及的所有試樣均未觀察到裂紋尖端擴展至預制裂紋的2個尖端的情況。此時，相當于裂紋遇到了一個直徑無窮大的圓孔，主裂紋失去擴展能力；此時載荷作用于預制裂紋下表面，使得預制裂紋的裂紋面分離，形成圖4b中B，C，D所示的狀態，在此過程中，預制裂紋的下表面及預制裂紋左右兩側的裂紋尖都承受了外載荷的作用，發生了大量塑性變形，預制裂紋的2個表面逐漸彎曲，相當于圓孔的直徑逐漸減小，根據氣孔對沖擊韌性的影響規律可知，小尺寸圓孔不具有止裂能力，因此最終在預制裂紋下表面發生開裂，形成裂紋擴展，如圖4b中E所示。

圖4 預制裂紋方向對主裂紋擴展的影響

2.4 斷口分析

含缺陷試樣的沖擊斷口中主裂紋擴展路徑如圖5所示，相比于無缺陷試樣，含氣孔樣的主裂紋擴展路徑更平直，而含裂紋試樣的擴展路徑參差不齊，有明顯的塑性變形痕跡。觀察圖6中預制裂紋周圍的變形情況可以發現其下裂紋面被顯著拉長，發生了大量的塑性變形，在此位置試樣厚度明顯減薄后開裂，形成了如圖4中e所示的狀態；而預制氣孔周圍的塑性變形明顯較小。觀察圖5中預制裂紋尖端可以發現，雖然預制裂紋面已經張開，但原裂紋尖仍然比較尖銳。觀察圖6中的裂紋面處未發現二次裂紋，氣孔面也未發現二次裂紋。X80管線鋼埋弧焊縫-10 ℃沖擊斷口一般存在明顯的塑性變形，纖維區微觀斷口存在大量韌窩，為韌性斷裂[18]。通過掃描電鏡觀察圖6中位置1、位置2的微觀斷口，發現如圖7所示的斷口形貌，與無缺陷試樣的纖維區斷口沒有明顯的區別，均為細小韌窩。

圖5 主裂紋擴展方向

預制裂紋的存在導致了塑性變形范圍增大、主裂紋擴展阻力增大，斷口參差不齊，但是并不會導致主裂紋沿預制裂紋尖端擴展；而預制氣孔的存在則降低了主裂紋擴展阻力，使裂紋趨于平直，沖擊吸收能量降低。斷口的微觀形貌均為韌窩型斷口，即缺陷的存在并沒有改變斷裂的性質。

圖6 預制裂紋及氣孔處的變形

圖7 預制裂紋及氣孔處的斷口形貌

3 結論

(1)X80管線鋼焊縫在-10 ℃下的1/4尺寸試樣與全尺寸試樣的沖擊吸收能量比例系數約為0.17。

(2)位于裂紋擴展路徑中的直徑為0.5 mm，1.0 mm的氣孔降低了擊韌性；而與裂紋擴展路徑垂直的預制裂紋，只要其位置在擺錘沖擊處1 mm范圍外，則可以提高裂紋擴展阻力，使裂紋擴展路徑彎曲，提高沖擊韌性。

(3)在一定范圍內，隨著預制裂紋長度增加，含裂紋試樣的沖擊吸收能量增大；擴展路徑中的橫向裂紋相當于大直徑氣孔，促進了塑性變形的發生，具有一定的止裂作用，從而提高試樣的沖擊吸收能量。

(4)并非所有裂紋都會降低裂紋擴展阻力。若預制裂紋存在于主裂紋擴展路徑中，則預制裂紋的存在縮短了主裂紋擴展路徑，必然降低主裂紋擴展所需的能量，導致沖擊韌性降低。

(5)X80管線鋼焊縫中缺陷的存在改變了試樣的沖擊韌性，但缺陷周圍的斷裂性質并未發生改變，仍然為韌性斷裂。