热输入对X70管线钢焊接热影响区组织和韧性的影响

张忠发，朱 亮，蔡淑娟

（兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050）

热输入对X70管线钢焊接热影响区组织和韧性的影响

张忠发，朱 亮，蔡淑娟

（兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050）

管线钢焊接突出的问题是热影响区晶粒粗化会导致接头韧性下降。利用热模拟技术和超窄间隙焊接方法对X70管线钢进行试验，得到了不同热输入下焊接热影响区粗晶区的组织，并测试了其韧性。结果表明，在室温下，当热输入低于8 kJ/cm时，以板条贝氏体和少量针状铁素体组织为主，原奥氏体晶粒尺寸小于48 μm，韧性与母材相当；高于8 kJ/cm时，随着热输入增加，板条贝氏体和针状铁素体逐渐减少，原奥氏体晶粒逐渐长大，韧性开始急剧下降。分析认为，对于这类C含量低的管线钢，板条贝氏体的形成并不会导致韧性降低，原奥氏体晶粒不断长大才是造成韧性下降的主要原因。采用超窄间隙焊接方法，可以有效缩短高温停留时间，防止原奥氏体晶粒长大，从而避免焊接热影响区粗晶区的韧性下降。

热模拟；超窄间隙焊接；焊接热输入；热影响区粗晶区

0 前言

管线钢是一种典型低碳微合金控轧钢（TMCP），由于其组织为细小铁素体或者贝氏体，且晶粒尺寸可限制在5 μm以下[1]，使其具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。但是该类钢在焊接过程中，热影响区受热输入量的影响，晶粒极易粗化，会不可避免地产生焊接热影响区局部脆性区，造成韧性降低。

目前有关焊接热输入对管线钢热影响区韧性的影响，通常是基于埋弧焊工艺，采用热模拟试验方法进行研究，并得到了一些规律，普遍认为高热输入会导致热影响区低温冲击韧性明显下降。但导致热影响区韧性下降的具体热输入值，在各研究中有所不同，如有研究认为[2]，当热输入高于15kJ/cm时，随热输入的增加，韧性急剧下降；而有的研究则认为[3]，韧性在高于30 kJ/cm时开始急剧下降；还有研究认为[4]，当高于40 kJ/cm时，韧性才开始急剧下降。另外，以上试验均没有对热输入低于10 kJ/cm下的韧性进行研究。对于热输入改变引起韧性下降的原因，一般认为，晶粒粗化是造成韧性下降的原因[5]。也有研究认为[6]，显微组织类型的差异也会引起韧性下降。其中针状铁素体有利于韧性提高，而贝氏体化铁素体粗化，M/A组元增多会造成韧性下降。可见，有关热输入对热影响区组织和韧性影响的认识并不统一。本研究采用热模拟技术和线能量低于8 kJ/cm的焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法对X70管线钢进行试验，系统研究热输入对粗晶区的组织和韧性的影响，并探讨将超窄间隙焊接方法应用于该类钢焊接的可行性。

1 试验材料及方法

试验材料为国内某钢厂生产的低碳微合金控轧X70管线钢，其主要化学成分为：w（C）=0.08%、w（Si）=0.34%、w（S）=0.002%、w（Mn）=1.5%、w（P）= 0.2%和w（V）=0.015%。采用两种方法对X70管线钢进行试验：一种是热模拟试验方法，长度方向沿板材轧制方向横向取10×10mm试样，在Thermorestorw型热模拟机上模拟焊接热影响区粗晶区，峰值温度1 350℃，加热速度100℃·s-1。根据焊接热输入和板厚制定热模拟试验参数[7]，见表1。

表1 焊接热影响区粗晶区热模拟参数Tab.1 Thermal simulation parameters for CGHAZ

另一种是超窄间隙焊接试验方法。焊剂带约束电弧的超窄间隙焊是一种熔化极电弧焊方法，其原理是将特制焊剂带置于坡口两侧壁，利用焊剂带作为约束体来限制电弧，进而有效控制电弧在坡口中的加热区域，使侧壁根部熔合良好[8]。试验采用平特性电源，直流反接。使用直径1.6 mm的ER50-6低碳钢焊丝，采用I型坡口，间隙宽度约4 mm。焊剂带厚度0.7～0.8 mm，成分主要为大理石和萤石。利用专用超窄间隙焊枪[9]，并将焊接热输入控制在8 kJ/cm以下，对试板进行焊接，所得焊接接头的焊缝表面和焊缝横截面如图1所示。热影响区宽度约1.1 mm，整个焊接过程由根焊、填充焊、盖面焊组成，共5层焊道，其中根焊和盖面焊各一层。

图1 焊缝形貌Fig.1 Appearance of weld metal

根据GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》标准，在CIEM-30D-CPC冲击试验机上进行冲击试验。其中，对于超窄间隙焊试样，V型缺口接近熔合线，如图1b虚线所示位置。金相试样经研磨和抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在扫描电镜（SEM）下进行显微组织分析。

2 试验结果

2.1 冲击韧性

将不同热输入下的热模拟试样制备成冲击试样，并测试其室温下的冲击功，得到热输入与冲击功的关系曲线，如图2所示，并将一组母材的冲击功和一组超窄间隙焊接试样的冲击功作为对比。对于热模拟试样，当热输入低于8 kJ/cm时，冲击功与母材相当；高于8 kJ/cm时，随着热输入增加，冲击功开始急剧下降。而对于超窄间隙焊接试样，其对应热输入为5～8 kJ/cm，虽然其冲击功比对应热输入下的热模拟试样的冲击功略低，但从断口形貌看，两者均为全延性断口，即属于延性断裂。而当热输入增大到10 kJ/cm时，断口纤维面积率仅为40%，处于塑-脆转变范围。

图2 室温下热输入与冲击功的关系曲线Fig.2 Relationship between heat input and impact energy at room temperature

为了进一步研究试样韧脆转变性能，测试了其在-60℃～20℃下的冲击功，如图3所示。对于超窄间隙焊接试样，在高于-20℃时冲击功不再受温度影响，处于上平台，上平台冲击功192 J，-60℃时达到韧脆转变温度。而热输入10 kJ/cm和35 kJ/cm时，韧脆转变温度均高于20℃，低于-20℃时进入下平台。

图3 冲击功与温度的关系曲线Fig.3 Relationship between heat input and temperatures

2.2显微组织

图4为母材及不同热输入下热模拟试样的显微组织。母材原始组织以针状铁素体为主，在经历焊接热循环后，从组织类型来看，主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和贝氏体内的M/A组元，原奥氏体晶界清晰。随着热输入的增加，粒状贝氏体含量增加，板条束贝氏体减少，M/A组元由条状逐渐变为粒状；从原奥氏体晶界尺寸来看，随着热输入的增加，高温停留时间增加，晶粒也随之长大。当热输入从8 kJ/cm增加至35 kJ/cm时，晶粒尺寸从48 μm增加到69 μm。

图4 母材及不同热输入下热模拟试样的显微组织Fig.4 Microstructure of base metal and thermal simulation specimens under different welding heat inputs

图5为超窄间隙焊接接头显微组织，其对应的热输入为7 kJ/cm。在这种低热输入焊接方法下，主要为板条贝氏体组织，这与热输入8 kJ/cm时的热模拟试样一致。不同的是，采用超窄间隙焊接还可以得到少量针状铁素体组织，原奥氏晶粒尺寸约为42 μm。

图5 超窄间隙焊接接头显微组织Fig.5 Microstructure of ultra-narrow gap welding joint

3 讨论

X70管线钢为典型的针状铁素体钢，针状铁素体具有多位相析出形态，彼此交错分布，可有效地阻碍裂纹的扩展，从而获得高韧性[3，10]。

由试验结果可知，将热输入控制在8 kJ/cm以内时，焊接热影响区粗晶区的组织主要为板条贝氏体和少量针状铁素体，原奥氏体晶粒尺寸小于48 μm，其韧性与母材相当。从组织类型来看，一般认为板条贝氏体的形成会使碳钢的韧性恶化[11]，而在低热输入下，焊接热影响区粗晶区存在的板条贝氏体，却未使其韧性明显降低（见图2与图4）。这说明板条贝氏体的形成并不会降低这类管线钢的韧性。这可能是由于该类钢C含量低和板条贝氏体束尺寸小；从原奥氏体晶界尺寸来看，奥氏体晶粒尺寸与韧性和热输入之间的关系，如图6所示。可以看出，热输入越低，奥氏体晶粒尺寸就越小，冲击功就越高。而当热输入从8 kJ/cm增加至35 kJ/cm时，晶粒尺寸从48 μm增加至68 μm，冲击功则从280.7 J急剧下降至58 J。这表明原奥氏体晶粒不断长大是造成韧性下降的主要原因。这种现象与X80管线钢研究结果一致[12]。因此，对于该类钢，在焊接时要重点控制晶粒尺度。

图6 奥氏体晶粒尺寸与冲击功和热输入之间的关系Fig.6 Relationship among the original austenite grain size，heat input and impact energy

通过扫描室温试样的冲击断口，由图7可以看出，热输入为10 kJ/cm和35 kJ/cm时，解理台阶尺寸分别约为68 μm和118 μm。对比图6可知，解理台阶的大小与原奥氏体晶粒尺寸密切相关，晶粒尺寸越大，断裂时解离台阶越大，韧性越低。这进一步验证了奥氏体晶粒尺寸决定韧性的说法。

常规焊接方法如制管埋弧焊，对应线能量一般大于20 kJ/cm[3]，在此热输入下，热影响区韧性会因晶粒粗化而明显下降。而采用坡口间隙为4 mm的超窄间隙焊接方法，其对应的热输入为5～8kJ/cm，组织为板条贝氏体和少量针状铁素体。根据焊接热循环参数计算公式[7]，可以求出900℃以上高温停留时间小于3 s。由于高温停留时间短，可防止原奥氏体晶粒长大，使其韧脆转变温度低至-60℃。此外，由于超窄间隙焊接方法的焊接电流和电压不低，通常为260～270 A和23～24 V，所以焊接线能量低的原因是其焊接速度快，焊接效率并不会降低。因此，对于这类管线钢，采用超窄间隙焊进行焊接是一种相对理想的方法。

4 结论

（1）焊接热影响区粗晶区的组织主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和少量针状铁素体，随着热输入增加，板条束贝氏体和针状铁素体减少，粒状贝氏体增加，原奥氏体晶粒逐渐长大，其韧性降低。

（2）当线能量低于8 kJ/cm时，可有效控制晶粒尺寸，从而避免焊接热影响区粗晶区韧性降低。

（3）采用超窄间隙焊接方法，既可缩短热影响区的高温停留时间，防止原奥氏体晶粒长大，又不会降低焊接效率，适用于这类管线钢的焊接。

图7 室温冲击断口形貌Fig.7 Impact fracture appearance at room temperature

[1]Bang K S，Kim W Y.Estimation and prediction of HAZ softening in Thermomechanically controlled rolled and accelerated-cooled steel[J].Welding Journal，2002，81（8）：174-179.

[2]张骁勇，高惠临，庄传晶，等.焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响[J].焊接学报，2010，31（3）：29-32.

[3]李为卫，刘亚旭，高惠临，等.X80管线钢焊接热影响区的韧性分析[J].焊接学报，2006，27（2）：43-46.

[4]缪成亮，尚成嘉，王学敏，等.高Nb X80管线钢焊接热影响区显微组织与韧性[J].金属学报，2010，46（5）：541-546.

[5]张敏，杨亮，李继红.焊接热输入对X100管线钢接头性能的影响[J].材料研究学报，2012，26（6）：567-571.

[6]周雄，刘顺洪，段元威，等.t8/5对X70级管线钢热影响区粗晶区性能影响[J].焊管，2008（6）：22-26.

[7]陈伯.金属焊接性基础[M].北京：机械工业出板社，1982.

[8]朱亮，黄斌维，金将，等.焊剂带控制超窄间隙坡口内电弧加热区域的机制[J].焊接，2008（5）：19-22.

[9]郑韶先，朱亮，黄斌维，等.焊剂带约束电弧用于超窄间隙的焊接[J].机械工程学报，2009，45（2）：219-223.

[10]Matsuda F，Ikeuchi K，Liao J.Effect of weld thermal cycles on the HAZ toughness of SQV-2A pressure vessel steel[R]. ASM International，Materials Park，OH（United States），1996.

[11]于庆波，孙莹，倪宏昕，等.不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响[J].机械工程学报，2009，45（12）：284-288.

[12]高保雷.X80钢焊接HAZ晶粒长大规律研究及计算机模拟[D].天津：天津大学，2005.

Influence of heat input on the microstructure and properties of welding heat affected zone of X70 pipeline steel

ZHANG Zhongfa，ZHU Liang，CAI Shujuan
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metal，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The outstanding problem of welding pipeline steel is the toughness of welded joint will be decreased by grain coarsening of heat affected zone.The microstructures of X70 pipeline steel coarse-grained heat affect zone(CGHAZ)under different welding heat inputs are obtained by using thermal simulation technique and the ultra-narrow gap welding method，and the toughness of CGHAZ is tested.The results show that under room temperature，the microstructure is lath bainite and acicular ferrite，the original austenite grain size is lower than 48 μm and the impact energy is equal to base metal when the welding heat input is less than 8 kJ/cm；When the welding heat input is above 8 kJ/cm，the amount of lath bainite and acicular ferrite decreases gradually，the original austenite grain size grows gradually and the impact energy decreases drastically with the increase of heat input.Through analysis，it is concluded that the lath bainite can not make the toughness reduce and the growth of original austenite grain is the main reason for the decrease of the toughness for this type of low C content of pipeline steel.The narrow-gap welding can decrease the holding time in high temperature and prevent the original austenite grain grow，so it can avoid the decrease of the toughness of CGHAZ.

thermal simulation；ultra-narrow gap welding；welding heat input；coarse-grained heat affect zone

TG249.2

：A

1001-2303（2015）09-0029-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.07

2015-03-11

国家自然科学基金资助项目（51264026）

张忠发（1989—），男，甘肃张掖人，硕士，主要从事焊接接头强度的研究工作。