X80钢焊接热影响区脆化软化现象热模拟试验研究

赵 波，李国鹏，王 旭，付彦宏，刘 涛，张 红，李 涛

（1.中国石油集团渤海装备研究院，河北 青县062658；2.渤海装备国家企业技术中心钢管研发分中心，河北 青县062658）

X80钢焊接热影响区脆化软化现象热模拟试验研究

赵 波1,2，李国鹏1,2，王 旭1,2，付彦宏1,2，刘 涛1,2，张 红1,2，李 涛1,2

（1.中国石油集团渤海装备研究院，河北 青县062658；2.渤海装备国家企业技术中心钢管研发分中心，河北 青县062658）

为了研究X80管线钢焊接热影响区（HAZ）组织及力学性能随冷却速度和焊接线能量的变化规律，采用热模拟试验的方法，对特定化学成分和原始金相组织的26.4mm厚X80管线钢进行了热模拟试验。试验结果表明：通过采用加速冷却或高熔敷率低线能量焊接工艺，可以适当提高热影响区冷却速度，达到细化热影响区晶粒、改善或消除热影响区脆化软化的目的，有效改善了X80管线钢热影响区强韧匹配，提高了产品合格率。

焊接；X80管线钢；脆化软化；加速冷却；低线能量

随着油气管道的高压、长距离、大直径输送技术的发展，对管线钢的强度、韧性和焊接性提出了愈来愈高的要求，X80管线钢现已逐渐成为输气管道的主导钢材，大规模地应用于管道建设[1]。目前X80高性能管线钢的生产技术日益成熟，已建成世界工程量最大的X80西气东输二线。

如今在高钢级焊管的生产中出现质量问题最多的是焊缝热影响区（HAZ）脆化、软化等[2-3]。焊管焊接热影响区的性能关系到焊管质量和管道运行安全。为了提高焊管的焊接质量和成品率，根据控轧控冷工艺、加速冷却工艺对管线钢母材金相组织力学性能的影响规律[4-9]，提出以焊接加速冷却和高熔敷率低线能量[10-15]两项新型焊接工艺来改善焊接热影响区强韧性的方法。采用热模拟试验技术对特定化学成分和原始金相组织的X80管线钢焊接热影响区组织及力学性能随冷却速度和焊接线能量的变化规律进行了试验研究。

1 试验材料及方法

试验材料为壁厚26.4mm的X80钢，其主要化学成分见表1。X80钢板的原始金相组织如图1所示。由图1可见，其主要组织为细化针状铁素体。利用Gleeble－3180热模拟试验机分别进行了热影响区软化和脆化的热模拟试验。

表1 试验用X80钢的化学成分 %

图1 X80钢板的金相组织

热影响区软化热模拟试验，拉伸热模拟试样沿钢板横向截取，加工成Φ10mm×100mm的圆棒样。首先分别进行800℃、900℃和1 000℃三种峰值温度时，正常多丝埋弧焊53 kJ/cm焊接线能量时4.4℃/s冷速下材料强度变化的热模拟试验，找出焊接接头中软化最严重区域的峰值温度，然后在该峰值温度下，在冷却速度分别为10℃/s、15℃/s和20℃/s条件下进行热模拟试验，利用拉伸试验机进行材料热模拟拉伸试样的抗拉强度、屈服强度的测定，找出该材料软化区域强度随冷却速度的变化规律；以正常多丝埋弧焊一半焊接线能量27 kJ/cm，进行1 000℃峰值温度下，材料的强度值测定，找出热区软化程度与线能量的关系。

热影响区脆化热模拟试验，冲击热模拟试样也沿钢板横向截取，加工成10mm×10mm×55mm的矩形试样。在粗晶区峰值温度1 350℃条件下，分别进行正常冷速4.4℃/s，以及10℃/s、15℃/s和20℃/s加速冷却下的粗晶区冲击试样的热模拟试验，利用冲击试验机进行－10℃温度下的冲击韧性测定，找出该材料粗晶脆化区域韧性随冷却速度的变化规律；以正常多丝埋弧焊一半焊接线能量27 kJ/cm，进行1 350℃峰值温度下，材料的冲击韧性测定，找出热区脆化程度与线能量的关系。

2 加速冷却和焊接线能量对强度的影响

加速冷却和焊接线能量对热影响区强度的影响见表2。从表2可以看出，该X80材料经过焊接线能量53 kJ/cm的热循环后，焊接热影响区的细晶区出现了明显的软化现象，该钢软化最严重的位置出现在细晶区峰值温度1 000℃区域，该处屈服强度比母材降低94 MPa，抗拉强度比母材降低44 MPa。

表2 加速冷却和焊接线能量对热影响区强度的影响

采用加速冷却工艺和高熔敷率低线能量焊接工艺后，该钢热影响区细晶区的软化问题得到了显著改善，几乎可以达到消除软化的效果。当采用加速冷却工艺，将正常焊接4.4℃/s的空冷速度分别提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s时，细晶区的屈服强度和抗拉强度整体呈现上升的趋势，抗拉强度可以恢复到母材原始抗拉强度，屈服强度比焊态空冷时提高了43～54 MPa。

当采用高熔敷率低线能量焊接工艺后，利用提高单位焊接电流焊丝熔化速度的方法，提高焊接速度，将焊接线能量从53 kJ/cm降至27 kJ/cm，可以看出细晶区屈服强度比焊态空冷时提高了83 MPa，比原始母材仅降低了11 MPa，细晶区抗拉强度比焊态空冷时提高了69 MPa，比原始母材提高了25 MPa。也就是说采用高熔敷率低线能量焊接也可以达到了控制热影响区软化的目的。

3 加速冷却和焊接线能量对韧性的影响

加速冷却和焊接线能量对粗晶区韧性的影响见表3。从表3可看出，该钢在经历53 kJ/cm的焊接热循环后，粗晶区出现了明显的脆化现象，-10℃温度条件下冲击功平均只有28 J。采用加速冷却工艺将热影响区冷速从4.4℃/s分别提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s时，粗晶区冲击功分别增加到344 J、360 J和222 J，粗晶区脆化得到了根本性改善。采用高熔敷率、低线能量焊接工艺后，焊接线能量从53 kJ/cm降低到27 kJ/cm，粗晶区冲击功平均值增加到164 J，可见采用低线能量焊接工艺可以达到改善粗晶区韧性的目的。

表3 加速冷却和焊接线能量对粗晶区韧性的影响

4 加速冷却和焊接线能量对硬度的影响

加速冷却和焊接线能量对热影响区硬度的影响见表4。从表4可以看出，整体上来说，焊态、加速冷却、低线能量焊接的热区硬度变化不大，采用加速冷却、高熔敷率低线能量焊接工艺后的粗晶区硬度都略有提高，但基本都满足标准要求。只有采用27 kJ/cm低线能量焊接时，粗晶区硬度为286 HV10，超过标准要求值280 HV10，可以通过适当调整线能量杜绝硬度超标问题。

表4 加速冷却和焊接线能量对热影响区硬度的影响

5 加速冷却和线能量对金相组织的影响

加速冷却和焊接线能量对热影响区金相组织和晶粒度的影响见表5。从表5可看出，采用加速冷却、高熔敷率低线能量两种焊接工艺后，粗晶区均得到了显著的细化，细晶区晶粒度变化不大。

表5 加速冷却和焊接线能量对热影响区金相和晶粒度的影响

6 结 论

通过对X80钢热模拟试验可以得出以下结论：

（1）该X80钢级大线能量多丝埋弧焊热影响区存在较严重的脆化、软化问题。

（2）采用加速冷却、高熔敷率低线能量焊接两种新焊接工艺，可以细化热影响区晶粒，对于改善X80钢热影响区粗晶区脆化和细晶区软化问题是有效的，甚至可以消除热区的脆化、软化问题。

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Thermal Simulation Experiments Research on Heat-affected Zone Embrittlement and Softening of X80 Pipeline Steel

ZHAO Bo1,2，LI Guopeng1,2，WANG Xu1,2，FU Yanhong1,2，LIU Tao1,2，ZHANG Hong1,2，LI Tao1,2
（1.CNPC Bohai Equipment Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China；2.Bohai Equipment Steel Pipe Research Branch Center of State Enterprise Technology Development Centers,Qingxian 062658,Hebei,China）

In order to study X80 pipeline steel HAZ structure and mechanical properties changing rules along with cooling rate and welding heat input changing,the thermal simulation test was carried out for 26.4mm thickness X80 pipeline steel,which possesses specific chemical composition and original metallographic structure.The results showed that using the accelerated cooling or low heat input welding technology,the cooling rate can be increased properly，the grain of HAZ is refined,the embrittlement and softening of the welding HAZ is improved or even eliminated,which can effectively improve the strength and toughness of X80 pipeline steel,and increase the qualified rate of products.

welding;X80 pipeline steel;embrittlement and softening;accelerated cooling;low heat input

TG407 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.004

赵 波（1975—），男，高级工程师，局级技术专家，现在中国石油集团渤海装备研究院输送装备分院、渤海装备国家企业技术中心钢管研发分中心工作，主要从事管线钢材料、焊管管件焊接工艺及装备研究工作。

2015-01-15

罗 刚