自保护药芯焊丝中Cr含量对钢管焊缝冲击性能及组织的影响

汪 凤，范玉然，张希悉，孙巧飞

（中国石油天然气管道科学研究院，河北 廊坊065000）

0 前 言

近年来，随着石油、天然气工业的迅速发展，油气输送管道的建设也达到了高峰期。自保护药芯焊丝半自动焊焊接技术具有焊接生产率高、抗风能力强、焊接工艺性能好和综合成本低等优点[1-2]，被越来越广泛地应用于管道施工中，因此，自保护药芯焊丝焊接接头的性能引起了管道建设者的广泛关注。然而，保护药芯焊丝焊接接头冲击性能不稳定一直是影响自保护药芯焊丝半自动焊工艺工程应用的主要因素。

本研究从自保护药芯焊丝合金元素角度出发，探究了自保护药芯焊丝半自动焊焊缝冲击性能不稳定的主要影响因素。采用两种不同Cr含量的自保护药芯焊丝对同一种钢板进行焊接，对获得的焊缝金属进行夏比冲击性能检测和金相组织分析，探究了合金元素Cr对自保护药芯焊丝半自动焊焊缝组织及冲击性能的影响。

1 试验材料和方法

试验用母材为X70管线钢，壁厚14.5 mm，化学成分见表1，焊材为金桥焊材有限公司配制的自保护药芯焊丝，焊丝熔敷金属化学成分见表2。两种焊材中成分差异较大的为Cr含量，目的是为了研究该合金元素对焊缝冲击性能和组织的影响。焊材熔敷金属的力学性能见表3。焊接工艺参考西气东输二线的工艺，焊接坡口形式如图1所示。

表1 X70管线钢化学成分%

表2 焊材熔敷金属化学成分%

表3 焊材熔敷金属力学性能

图1 焊接坡口形式

2 试验结果及分析

依据西气东输二线工程焊接工艺，对表2中的自保护药芯焊丝与表1中的母材进行焊接匹配试验。因焊缝的区别仅在焊丝合金元素含量的不同，故下文以焊丝编号对焊缝加以区分。对不同匹配的焊缝进行系列温度下的夏比冲击试验，焊缝冲击试样均取自焊缝中心，得到的系列温度冲击试验结果见表4，图2为焊缝韧脆转变曲线。可以看出，由于焊材中Cr含量的不同，焊缝韧脆转变存在明显的差异。

表4 焊缝系列温度下的冲击试验结果

图2 焊缝试样的韧脆转变曲线对比

对焊缝金属进行组织观察，金相组织结果如图3所示。为了分析焊缝中M/A含量、形态及分布差异，对焊缝进行了彩色金相分析，彩色金相试剂为Lepera，分析结果如图4所示。

考虑到工程实用性，仅对－20℃条件下的冲击试验结果进行对比分析。同时，由于自保护药芯焊丝在工程上应用时，主要问题表现为冲击离散性大，因此，本研究对几种焊缝试样的冲击离散性进行了比较分析。采用标准偏差表征焊缝冲击离散度。焊缝系列温度下冲击离散度计算结果见表5，冲击性能的对比直方图如图5所示。

图3 焊缝试样金相检验结果200×

图4 焊缝试样彩色金相结果500×

表5 －20℃条件下五种焊缝冲击离散性分析

图5 焊缝试样冲击性能对比直方图

从图4可以看出，－20℃条件下，Cr含量较高的1#焊缝试样冲击功平均值高于2#焊缝，但冲击功离散度也远远高于2#焊缝试样。

从图3焊缝组织分析结果可以看出，虽然两种焊缝组织主要均为贝氏体+链状组织，但1#和2#试样的焊缝组织存在以下差异。

（1）焊缝组织晶粒大小不同，Cr含量高的1#组织较2#组织粗大。

（2）贝氏体中的碳化物颗粒大小不同，Cr含量高的1#焊缝试样组织中，贝氏体晶粒中的长岛状碳化物颗粒比2#焊缝贝氏体晶粒中的长岛状碳化物颗粒粗大。

（3）焊缝中链状组织的分布不同，1#焊缝组织中的链状组织主要分布于粗大贝氏体组织的晶界 （见图4中亮白色为M/A岛），且呈明显的链状分布，而2#焊缝组织中的链状组织主要分布于细小贝氏体组织的晶界，链状分布特征不如1#焊缝试样明显。

为了便于比较焊缝组织差异，采用图像处理方法，对图4中M/A所占面积比例进行分析，结果见表6。从表6可以看出，1#焊缝组织中的M/A含量较2#高两倍，且1#焊缝中的M/A较2#焊缝中的密集程度高。

表6 焊缝金相组织中M/A含量

Cr对提高焊缝的淬透倾向作用比较强，并可以提高脆性转变温度。Cr能降低γ→α转变的相变温度[3-4]，还能阻碍C扩散，故对推迟贝氏体转变的作用很强。Cr可以显著推迟珠光体转变，使钢容易获得贝氏体组织，并增加M/A相的数量[5-6]。因此，在Cr含量较高的焊缝组织中，M/A岛组织的比例更高，这点可以从图3和图4焊缝金属组织中看出。这也是Cr含量较高的1#焊缝组织为贝氏体，且贝氏体中长岛状的碳化物较2#焊缝组织粗大，同时组织中链状M/A含量较2#焊缝高的原因。而贝氏体组织中的长岛状碳化物粗大将不利于焊缝的冲击韧性[7]。

M/A组元的数量、形态以及分布都会对焊接接头的冲击韧性造成影响[8]。M/A组元为脆相，在外载荷作用下，当位错运动至M/A组元处，M/A组元会阻碍位错运动而形成位错塞积，从而产生应力集中，致使形成解理裂纹，M/A组元数量越多，越容易萌生裂纹[9]；尺寸大的M/A组元易达到Griffith裂纹的临界尺寸，有利于裂纹的扩展[10-12]。因此，对于焊缝组织中存在M/A的焊缝，在冲击取样时，一旦焊缝缺口所开位置处M/A密集程度较高，在冲击载荷的作用下，基体将迅速启裂，且由于脆性M/A的存在，裂纹将迅速扩展，直至断裂。这也可能是Cr含量高的1#焊缝冲击功离散性较2#焊缝大的原因。

3 结 论

本研究采用两种不同Cr含量的自保护药芯焊丝对同一种钢板进行焊接，对获得的焊缝金属进行了夏比冲击性能检测和金相组织分析，可以得到以下结果。

（1）自保护药芯焊丝中的合金元素Cr含量不同，焊缝金属组织不同，Cr含量高的1#焊缝金属组织中贝氏体组织中的长岛状碳化物颗粒粗大，且组织中的链状M/A含量和密集程度较高。

（2）自保护药芯焊丝中的合金元素Cr含量不同，焊缝冲击性能不同，Cr含量高的1#焊缝金属较含Cr量低的焊缝金属冲击功离散性大。

（3）焊缝组织中存在M/A组元将不利于焊缝冲击性能的稳定，M/A组元含量越高，焊缝冲击功离散性越大。

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