高强管线钢焊接裂纹产生的原因及控制

李树森，刘 敏，左秀荣

(1.中信泰富特钢集团，上海 200041;2.鞍钢股份公司 炼钢总厂，鞍山 114031; 3.郑州大学 物理工程学院，郑州 450052)

高强管线钢焊接裂纹产生的原因及控制

李树森1，刘 敏2，左秀荣3

(1.中信泰富特钢集团，上海 200041;2.鞍钢股份公司 炼钢总厂，鞍山 114031; 3.郑州大学 物理工程学院，郑州 450052)

高强管线钢焊接热影响区(HAZ)受焊接热循环影响，韧性降低，成为焊接接头的薄弱位置.由于焊接粗晶区粗大晶粒及焊趾处产生的应力集中，裂纹通常起源于焊趾处靠近熔合线的热影响区粗晶区.夹杂物与基体界面处、MA岛与基体界面处、存在MA岛的晶界以及MA岛内部是裂纹形核的主要位置.裂纹沿着晶界扩展，或从晶粒内部穿过，或沿着基体与夹杂物之间的缝隙扩展.控制焊接热输入减少MA岛数量、细化奥氏体晶粒及利用氧化物冶金的方法促进晶内形核铁素体的生成，有助于提高焊接热影响区粗晶区韧性.

高强管线钢;焊接接头;裂纹;预防措施

管线钢在焊接过程中，焊缝附近母材受焊接热循环过程影响，被加热到接近母材熔点的温度，受其影响，出现沿焊缝两侧分布的一条晶粒粗大的粗晶组织区，即焊接热影响区(HAZ).HAZ为焊接接头的薄弱环节，可能成为裂纹的开裂源或沿焊道方向长程扩展的通道.

X80管线钢原始组织为针状铁素体，其上分布着细小的碳化物和MA岛，内部有较高的位错密度和亚结构.针状铁素体晶界为高角度晶界，裂纹在扩展过程中受到晶界的强烈阻碍作用［1］，同时弥散分布的第二相粒子对位错有很强的钉扎作用，有效地提高了韧性，因此裂纹不易在针状铁素体组织中形成和扩展.HAZ组织形态由母材的针状铁素体组织转变为板条贝氏体和粒状贝氏体［2］，晶粒显著粗化，韧性降低.

本文对X80管线钢管焊接热影响区产生裂纹的原因进行分析并提出相应的预防措施，为提高X80管线钢管的合格率，促进X80管线钢在油气输送工程中的大规模应用奠定基础.

1 焊接接头裂纹的形核过程分析

HAZ粗晶区具有明显的组织不均性，焊趾焊根处存在应力集中.当焊接工艺不合理，或母材中夹杂物数量较多、形态及分布不均时，裂纹易在焊趾处靠近熔合线的HAZ中形成.图1为焊接接头焊趾处宏观及微观组织照片.由图1可见，裂纹起源处的组织为粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体组织，原始奥氏体晶界清晰可见;贝氏体铁素体上的MA岛尺寸较大，且有尺寸较大的夹杂物存在;贝氏体铁素体中分布着高密度位错.因此，提高母材的纯净度、降低夹杂物含量、优化焊接工艺使HAZ获得细小均匀的组织，才可有效避免裂纹的产生，从而保证管道的运行安全.

图1 焊接接头焊趾处宏观及微观组织照片Fig.1 Macrostructure and microstructure of weld toe in weld joint(a)—焊接接头裂纹宏观形貌;(b)(c)—内焊焊趾处SEM照片;(d)—内焊焊趾处TEM照片

基体上MA岛的形态和分布是影响HAZ粗晶区性能的主要因素，粗大的MA岛易使裂纹启裂.焊接热输入越大，越容易形成边界形核铁素体，使MA岛硬度增加，裂纹越容易沿着MA岛与基体的交界处形核和开裂［3］.

在焊接残余应力、越来越高的工作压力及复杂输送介质作用下，高强管线钢焊接接头很容易产生应力腐蚀裂纹(SCC)和氢诱导裂纹(HIC).在HIC形成过程中，氢原子首先向夹杂物与基体间的缝隙或钢中存在的微孔洞中扩散，当形成的氢分子压力超过钢的屈服强度时，就形成裂纹.微观组织对焊接接头的SCC和HIC均有重要影响.焊缝金属中的针状铁素体及由于适量的Ti添加形成的弥散的含钛碳氮化物有可能成为氢的捕获点，有助于防止在酸性环境中裂纹的产生［4］.如焊缝金属中Ti或Mn含量较多，则淬透性较强，在冷却过程中会形成较多的贝氏体或MA岛，造成硬度增加，极易形成SCC和HIC裂纹.Al及Si的氧化物夹杂与基体之间通常存在缝隙，在HIC形成过程中易成为裂纹的起源［5］，而氧化铝夹杂易使SCC形核［6］.

通过对裂纹附近的显微组织观察，夹杂物与基体界面处、铁素体基体与MA岛界面处、MA岛内部以及原始奥氏体晶界是裂纹形核的主要位置，如图2所示.由图2(a)可见，夹杂物诱导产生裂纹.在扩径过程中，由于夹杂物的变形指数低，不能随金属基体一起变形，极易与周围金属脱离而形成空隙，微裂纹在非金属夹杂物与基体金属界面处形核.产生的裂纹呈穿晶特征的脆性解理断裂.由图2(b)可见，微孔和微裂纹主要在MA岛和铁素体基体的界面处形核.MA岛与基体的交界处，容易产生应力集中.当界面上的剪切应力分量达到界面强度时，MA岛与基体分离而萌生微裂纹.如图2(c)所示，MA岛有不同程度的破碎，微观裂纹在此产生.如图2(d)所示，裂纹在存在MA岛的晶界形核.

图2 热影响区粗晶区中裂纹的形核位置Fig.2 Crack nucleation sites in HAZ(a)—裂纹在夹杂物界面处形核;(b)—裂纹在MA岛界面处形核;(c)—裂纹在MA岛内部形核;(d)—裂纹在存在MA岛的晶界形核

2 焊接接头裂纹的扩展过程分析

裂纹在扩展过程中，有的沿着晶界进行，有的从晶粒内部穿过，有的沿着基体与夹杂物之间的缝隙扩展，如图3所示.裂纹扩展是沿着能量降低的方向、阻力最小的途径进行的.裂纹前沿金属的韧性越好，裂纹扩展的阻力越大.韧性是材料强度和塑性的综合表现，在保证一定的强度下，提高材料的韧性可以增加裂纹扩展的阻力.在裂纹扩展过程中，不同位向裂纹的连接或裂纹在经过原奥氏体晶界和板条束界面时发生转向，构成了裂纹扩展时的之字型路径.

小角度晶界对裂纹扩展影响较小，但大角度晶界及分布着MA薄膜的小角度晶界能有效阻止位错运动和裂纹扩展［7］.粗晶区贝氏体板条界为小角度晶界，板条束界为大角度晶界，原奥氏体晶界为大角度晶界.如贝氏体板条间存在几nm或几十nm厚的MA薄膜，也能阻止裂纹扩展，提高冲击韧性.

3 改善焊接接头热影响区韧性的措施

焊接接头的韧性与基体相比严重下降.HAZ与母材相比，韧性损失20%以上.冲击韧性的上平台能是由组织中空洞的形核、生长及粗化决定的.主要由硬相的数量、裂纹尖端塑性区的尺寸和裂纹尖端的塑性决定.减少硬相数量、增加塑性区尺寸(反比于屈服强度)、增加裂纹尖端的塑性(正比于可动位错数量)，能增加断裂时的吸收能.韧脆转变温度(50%FATT)由裂纹的形核、生长和脆性裂纹的捕获能力决定.裂纹的形核由硬相的分布决定.高角度晶界提高脆性裂纹的捕获能力，从而降低了50%FATT.增加的MA岛数量及较高的屈服强度提高了50%FATT［8］.因此，减少MA岛数量、细化奥氏体晶粒有助于提高HAZ的韧性.

图3 热影响区粗晶区中裂缝扩展路径Fig.3 Crack propagation path in HAZ

碳当量CEpcm决定高强管线钢的焊接性能及强度，采用式(1)计算［9］:

式中各元素单位为质量分数(%).X80高强管线钢要求优异的焊接能力，通常C含量(质量分数，以下同)低于0.09%，合金元素Ni低于0.50%、Cr低于 0.45%、Mo低于 0.35%、Cu均低于0.30%、Mn低于1.85%，控制CEpcm低于0.23%，此时钢具有较低的冷裂纹敏感性.高强管线钢通常采用Nb、Ti微合金化，生成的TiN粒子具有较好的钉轧奥氏体晶界作用.如钢中w(Ti)/w(N)过高，使Ti的固溶量增加，易生成粗大的贝氏体组织;如w(Ti)/w(N)过低，钢中固溶N含量增加，导致冲击韧性降低［10］.钢中w(Ti)/w(N)比值应稍低于2.39，生成数量足够、尺寸合适的TiN粒子，能有效阻止奥氏体晶粒长大，并生成多边形铁素体、针状铁素体及侧板条铁素体混合组织，有利于获得较高的冲击韧性.微合金元素Nb形成的Nb(C，N)和NbC也有抑制奥氏体晶粒长大的作用.

图4 焊接接头中的晶内形核铁素体Fig.4 Intragrannlar ferrite in weld joint(a)—晶内形核铁素体;(b)—A处EDS图

目前，利用氧化物冶金方法开发了用Ti、Mg脱氧或添加B、RE等元素的微合金钢.钢中形成了大量的MgAl2O4、Ti2O3、TiO2或TiO、BN粒子，可作为晶内形核铁素体的形核核心.图4为在含Ti、Al粒子上形核的晶内形核铁素体.由图4可见，在奥氏体内部首先形成针状铁素体，把原始奥氏体分割成小区域，有效细化了之后形成的贝氏体组织，从而大大地提高了HAZ的冲击韧性［11］.

焊接热输入对HAZ的冲击韧性影响很大.管线钢中HAZ粗晶区通常为贝氏体组织，焊接热输入直接影响贝氏体铁素体板条的宽度和贝氏体中MA岛的形态、大小、数量及分布，同时影响奥氏体晶粒大小.焊接热输入越低，奥氏体晶粒越小，贝氏体中板条贝氏体越多，粒状贝氏体越少，贝氏体铁素体板条宽度越窄，同时MA岛越多［12］.如热输入太低，HAZ熔合线开裂的风险增加;如热输入太高，HAZ宽度变大，恶化了低温韧性［13］.焊接热输入的计算如公式(2)所示［14］.优化焊接工艺参数(焊接电压、焊接电流和焊接速度)，控制合理的焊接热输入，能有效提高HAZ的冲击韧性.X80管线钢优化的焊接热输入约为30 kJ/cm，优化的焊接速度约为1.5 m/min.

式(2)中:HI为热输入，kJ/cm;μ为焊接过程参数，取1;V为焊接电压，V;I为焊接电流，A;S为焊接速度，m/min.

4 结论

裂纹起源于焊趾处靠近熔合线的HAZ处.夹杂物界面、铁素体与MA岛界面以及有MA岛的晶界和MA岛内部是裂纹形核的主要位置.裂纹常沿着晶界、晶粒内部以及基体与夹杂物之间的缝隙扩展.控制焊接热输入从而减少MA岛数量、细化奥氏体晶粒，以及利用氧化物冶金的方法促进晶内形核铁素体的生成，均有助于提高HAZ的韧性.X80管线钢优化的焊接热输入约为30 kJ/cm，焊接速度约为1.5 m/min.

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Reasons and controlling measures for cracking in weld joint for high－strength pipeline steels

Li Shusen1，Liu Min2，Zuo Xiurong3

(1.Citic Pacific Special Steel Holdings，Shanghai 200041，China;2.Steel Making Mill of An Steel，Anshan 114031，China; 3.School of Physical Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，China)

The weld heat affected zone(HAZ)for high－strength pipeline steel is affected by the weld heat recycle，resulting in toughness decrement.Owing to the coarse grain and the stress concentration，the cracks are usually found on weld toe near the coarse grain heat affected zone(CGHAZ)near the fusion line.The principal positions of the cracks are interface of the inclusion and the steel matrix，interface of the MA island and the steel matrix，grain boundaries having MA island，and the interior of the MA island.The cracks propagate along the grain boundaries，or go through the grain interior，or extend along the gap between the steel matrix and the inclusion.It is beneficial to increase the toughness of the CGHAZ that we control heat input to decrease the amount of the MA inland，we refine austenite grain size，and we promote the formation of intragranular ferrite by oxide metallurgy.

high－strength pipeline steels;weld joint;crack;preventive measure

TG 457.11

A

1671-6620(2013)01-0067-05

2012-10-31.

李树森 (1968—)，男，高级工程师，E－mail:Lishusen@126.com;左秀荣 (1967—)，女，郑州大学教授，E－mail: zuoxiurong@126.com.