高强度管线钢焊接性研究现状*

黄景鹏，徐学利，王洪铎，郑梗梗

(西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065)

高强度管线钢焊接性研究现状*

黄景鹏，徐学利，王洪铎，郑梗梗

(西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065)

为了进一步提高我国高强度管线钢的焊接水平，促进管线工程以及焊接技术的发展，根据目前我国管道工程的发展,讨论了高强度管线钢存在的焊接性问题，主要针对焊缝金属的强韧化匹配问题、冷裂纹问题以及HAZ的脆化问题的研究现状进行了总结。同时，结合存在的焊接性问题提出了相应的预防措施，建议提高焊接接头的韧性可以通过成分、工艺两方面因素来考虑；防止冷裂纹产生可从氢含量、淬硬组织、应力三个方面进行控制；提高焊接热影响区的韧性，可以采用激光焊、超窄间隙GMA焊、脉冲MAG焊等低热输入的焊接方法。

高强度管线钢；焊接性；强韧化；冷裂纹；HAZ脆化

1 高强度管线钢的焊接性问题

近年来，随着管道工程的发展以及焊接技术的进步，油气输送管道趋向于大直径，输送介质复杂，输送压力增大，而且管线的使用条件越来越苛刻。因此，管道材料的研究正朝着高强度、高韧性以及优良的现场焊接性等多方面发展[1]。这就要求管线钢不仅具有优良的强韧性等综合力学性能，而且还要具有良好的焊接性。焊接性的好坏是评价管线钢使用性能的主要指标之一。焊接性、焊接材料以及相应的焊接工艺是管线钢焊接的三个基本要素，三者密不可分。随着管线钢强度级别的提高和合金元素含量的增加以及焊接工艺条件的变化，都会引起各种焊接性问题[2]。尤其是焊缝金属的强韧化匹配、冷裂纹以及HAZ的脆化问题。

2 高强度管线钢焊接性研究

2.1 焊缝的强韧化匹配

高强度管线钢焊接性分析中首先考虑的是保证焊缝金属的强度性能，同时韧性下降也是焊接过程中不容忽视的问题。焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。对于高强度管线钢而言，若焊缝金属强度过高，将导致焊缝韧性、塑性、抗裂性下降，从而降低焊接结构的使用安全性。要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难，因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的冷裂倾向增大。要实现焊缝的强韧化，并避免冷裂纹，需开发与母材性能相匹配的焊接材料，但在这方面尚无成熟的经验[3]。另外，从匹配上分析，在管线钢强度很高的情况下，采用“低强匹配”虽然对焊缝韧性要求有所提高，但减少了管道现场施工的难度，焊缝开裂倾向也有所降低。实践证明，“低强匹配”的焊缝往往能提高焊缝的韧性和抗冷裂纹敏感性，提高焊接结构的疲劳寿命，从而获得良好的使用性能和较高的经济效益。

同时，为了提高焊接接头的韧性，还可以通过两方面来考虑：一是成分因素，二是工艺因素。焊缝的化学成分包括有害杂质元素和合金元素，有害杂质元素包括S、P、N、O和H，其中S、P和H的含量应越低越好，w(N)应控制在0.002 8％～0.005 5％，w(O)应控制在 0.027％～0.032％。减少焊缝中的有害杂质元素，对焊缝的韧性有重要的影响。合金元素主要包括Mn、Si、V、Mo、Nb、Ti和B等。为减少C元素对管线钢韧性和焊接性的不良影响，管线钢中的C含量不断降低，为弥补由此带来的强度损失就必须通过添加其他合金元素来补充,或采用新的成分和组织设计[4]。合金元素对焊缝韧性的影响比较复杂，只有当合金元素含量保持在一定范围内才对改善韧性有利；另外有些元素的韧化作用要受到其他元素的影响，如Ti和B的韧化作用与O和N有密切关系；热处理对合金元素发挥作用也有影响，如用Nb和V来韧化焊缝时,焊后必须进行正火处理。通过以上分析，焊接时应根据焊接接头对韧性的需求选择成分合适的焊接材料[5]。同时也可以通过改变焊接方法、坡口角度等方式选择合适的熔合比来提高焊接接头的韧性。

2.2 管线钢的焊接冷裂纹倾向

大量生产实践以及理论分析研究表明：冷裂纹产生的三要素是焊接接头中扩散氢含量、淬硬倾向和拘束应力。在焊接高温的作用下，熔池中溶解了大量的氢(此时熔池中主要成分是奥氏体，氢的溶解度比较大)，而在随后的冷却和凝固过程中，奥氏体相变为铁素体的过程会却引起氢的溶解度急剧降低，而此时氢极力逸出，但因冷却速度很快，氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，从而使氢处于过饱和状态，当氢的浓度足够高时，将产生裂纹[6]。同时，高强钢因母材的碳当量较低，熔敷金属的碳当量较高，氢就被留在熔化的金属中，从而在焊缝中出现冷裂纹。

高强钢的淬硬倾向与含碳量、化学成分、冷却条件和焊接工艺等因素有关，其中最主要的是含碳量。淬硬倾向越大，则容易产生裂纹。因为马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格中，使铁原子偏离平衡位置晶格发生畸变，致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下，加热温度很高使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体[5]。从金属的强度理论可知[7-8]，马氏体是一种脆硬组织，发生断裂时将消耗较低的能量。因此，当焊接接头中有马氏体存在时，易于形成裂纹。同时冷裂纹发生的敏感程度一般和碳当量是同步的，即碳当量降低，淬硬倾向减小，冷裂纹倾向降低。但随着强度级别的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。母材的低碳当量及高强度化，会促使冷裂纹发生的位置从HAZ转移到焊缝，特别是在管线钢现场铺设安装进行环缝焊接时，因常采用氢含量较高的纤维素焊条，容易产生脆硬低温转变产物，热输入小，冷却速度较快，故而也会大大增加冷裂纹的敏感性[2]。

焊接接头处的拘束应力也对冷裂纹起着很重要的作用。在焊接时，焊接区会受热发生膨胀，因而会承受压应力，冷却时由于收缩又会受到拉应力。最终会在焊后产生不同程度的残余应力。这种在不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力作用，会引起氢的聚集，诱发氢致裂纹。在不同的焊接条件下，需要多大的拘束力会产生裂纹，这对实际工程领域很重要。而随着焊接时产生拘束应力的不断增大，直至开始产生裂纹，此时的拘束应力为临界拘束应力σcr。它反映各个因素的共同结果，因而可以将σcr作为评定冷裂纹敏感性的判据。

防止冷裂纹产生可从氢含量控制、淬硬组织控制、应力控制三个方面入手。控制氢含量有预热、焊接材料的选用以及焊条的烘培等途径。在目前管道施工中，使用最广泛的焊接材料是纤维素型焊条，这是因为纤维素焊条易于操作，具有高的焊接速度，结晶区间小。但是，纤维素焊条的含氢量很高，因此在管道施工时预热是防止冷裂纹产生的最有效方法。它通过延长冷却时间，降低焊后冷却速度，以促进氢的逸出，同时还可以改善焊接组织和减少应力。淬硬组织的控制主要是控制焊接线能量的大小，随着焊接线能量的增加，t8/5增加，焊后冷却速度减少，影响到奥氏体的转变温度，使其不易于形成淬硬组织，从而减少冷裂纹的发生。应力的控制主要是防止焊缝分布密集、消除应力集中，从而降低冷裂纹的产生。

2.3 HAZ的脆化

对于高强度管线钢，由于管线钢晶粒细小，在焊接热循环作用下易发生晶粒长大。在焊接过程中，HAZ的温度很高，其中粗晶区的温度接近钢材的固相线温度，因而尽管高温停留时间短，奥氏体晶粒仍急剧长大。当加热温度大于1 300℃而处于粗晶区时，奥氏体晶粒尺寸会明显长大。由于晶粒越粗，晶界越少，对裂纹扩展的阻碍作用越小，从而导致粗晶区的脆化[9-10]，使裂纹更容易沿晶界扩展,使冲击韧性更低[11-12]。因此高强度管线钢焊接后，与母材晶粒相比，其HAZ区的奥氏体晶粒将严重粗化，使母材不再具有之前的优异性能。

为控制在高热输入下管线钢焊接热影响区的晶粒长大，可通过向钢中加入微合金元素来实现。图1为金属元素对晶粒直径的影响。由图1可以看出，Ti是一种在焊接峰值温度下能生成稳定的TiN而控制晶粒长大的元素。TiN是阻止晶粒长大的有效析出粒子，高温难熔的细小弥散TiN粒子，拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移，TiN粒子尺寸越细小，数目越多，细化奥氏体晶粒的作用越强。研究表明，即使在高达1 400℃的高温下，TiN仍表现了很高的稳定性，从而有效抑制在高输入下的奥氏体晶界的迁移和晶粒相互吞并的长大过程。目前管线钢中最佳 w(Ti)=0.01％～0.03％，并保持Ti/N值＜3.5，因为Ti/N值过高或过低都会削弱这一细化作用。原因是在钢中氮含量适当时，比理想化学配比稍低的Ti量限制了Ti在基体中的溶解度，减少了颗粒长大所必须的溶解原子扩散流，阻碍了TiN颗粒的长大。当钢中的Ti/N值过小，钢中含Ti严重不足，高温下TiN颗粒数目太少，阻碍奥氏体晶粒长大的作用有限；当Ti/N值过大，钢中Ti大量溶入基体，钢液中析出的少量TiN颗粒会特别粗大，从而不能有效地阻碍奥氏体晶粒长大[13]。

图1 金属元素对晶粒直径的影响

图2 是不同钢级管线钢粗晶区冲击韧性和焊接线能量之间的关系。由图2可以看出，当焊接线能量为10～30 kJ/cm时，可使粗晶区有较好的韧性水平；当焊接线能量＞30 kJ/cm时，粗晶区的韧性下降很明显，发生严重的脆化。因此，为了提高管线钢焊接热影响区的韧性，可以采用激光焊、超窄间隙GMA焊及脉冲MAG焊等低热输入的焊接方法[14]。

图2 不同钢级管线钢粗晶区冲击韧性和焊接线能量之间的关系

3 结 语

随着当今管道工程以及钢铁工业的发展，对管线钢的焊接性提出了更高的要求。因此，加强高强度管线钢焊接性的研究，是焊接工作者当前和未来研究的重要课题，也对我国管线工程以及焊接技术的发展有着重大的意义。

[1]王仪康，杨柯，单以银，等.高压输气管线用钢[J].焊管，2002，25(1):1-9.

[2]李午申.我国合金结构钢的新发展及其焊接性[J].焊接学报，2001(5):82-86.

[3]田志凌.面向二十一世纪的钢铁材料及其焊接技术[R].北京：钢铁研究总院，2000.

[4]郑磊.管线钢的碳含量和碳当量与焊接性的关系[J].焊管，2004(4)：72-73.

[5]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]林浩.船用高强度钢焊接冷裂纹的形成和预防[J].造船技术，2003(3)：32-34.

[7]师昌绪.金属的脆断与断裂(下册)：金属缺陷与金属强度[M].北京：科学出版社，1964.

[8]上海交通大学.金属断口分析[M].北京：国防工业出版社，1979.

[9]高惠临.管线钢组织、性能、焊接行为[M].西安：陕西科学技术出版社,1995.

[10]毕宗岳.管线钢管焊接技术[M].北京：石油工业出版社，2013.

[11]王勇，韩涛，刘敏.X70管线钢焊接热影响区的局部脆性[J].材料工程,1999(10)：14-16.

[12]张小立，庄传晶，冯耀荣，等.X80级管线钢热影响区的局部脆化[J].钢铁，2007(3)：69-72.

[13]屈朝霞，田志凌，杜则裕，等.超细晶粒钢HAZ晶粒长大的规律[J].焊接学报，2000(4)：9-12.

[14]李午申.新一代钢铁材料及其焊接性的发展[J].焊接技术，2001(S1)：13-15.

Research Current Status of High Strength Pipeline Steel Weldability

HUANG Jingpeng,XU Xueli,WANG Hongduo,ZHENG Genggeng
(School of Materials Science and Engineering，Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

In order to further increase the welding level of China domestic high strength pipeline steel,promote the development of pipeline engineering and welding technology,according to the development of pipeline engineering in our country,it discussed the weldability problem existed in high strength pipeline,and summarized the research status of some problems,such as the strength and toughness matching of weld metal,cold crack problem and HAZ embrittlement.At the same time,it put forward the corresponding preventive measures combined with weldability problems.It suggested that the toughness of welded joints can be increased from composition and welding process;the cold crack can be controlled from three aspects,including hydrogen content,hardening organization and stress;the toughness of HAZ can be enhanced by using low heat input welding methods,such as laser welding,ultra narrow gap GMA welding,pulse MAG welding and so on.

high strength pipeline steel;weldability;strengthening and toughening;cold crack;HAZ embrittlement

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.005

陕西省重点学科专项资金资助项目“西安石油大学材料科学与工程省级优势学科资助项目”(项目号ys37020203)。

黄景鹏(1992—)，男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向为金属材料的焊接性。

2016-03-20

黄蔚莉