X80管线钢热丝TIG焊接接头显微组织和力学性能

姚宗湘，李 东，王 刚，尹立孟，唐 丽，张 圆

（1.重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆401331；2.材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川自贡643000；3.四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都610213）

X80管线钢热丝TIG焊接接头显微组织和力学性能

姚宗湘1，2，李 东1，王 刚1，尹立孟1，唐 丽1，张 圆3

（1.重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆401331；2.材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川自贡643000；3.四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都610213）

采用热丝TIG焊对X80钢板进行对接，并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明：焊缝区主要为针状铁素体（AF）组织，热影响区粗晶区主要为贝氏体铁素体（BF）和粒状贝氏体（GB）组织，细晶区主要是多边形铁素体（PF）和少量贝氏体组成；焊接接头的平均抗拉强度为643MPa，断裂在母材区；在-30℃时焊缝区的冲击吸收功高于热影响区，焊缝主要是韧脆混合断裂为主，而HAZ主要以脆性断裂为主。焊缝区的硬度较高，焊接接头HAZ存在硬化和软化现象。

X80管线钢；热丝TIG焊；焊接接头；显微组织；力学性能

0 前言

中国油气管道正朝着高强、高压、厚壁和大口径技术发展，这对管线钢的强韧性要求也越来越高[1]。X80管线钢是一种高强度低合金钢（HSLA），已成功应用在西气东输二线段干线工程上，因其具有较高的强度及良好的强、韧匹配，在世界范围内拥有广阔的应用前景[2]。焊接是影响管线钢应用及管线安全的关键技术之一[3]。如何保证管线钢焊接接头在不均匀受热后的强度和韧性，尤其是焊缝区的低温韧性，已成为该钢的研究焦点之一。

热丝TIG焊是一种高效、低耗、优质的焊接工艺方法，已成为中厚板结构焊接的首选。与冷丝相比，热丝TIG焊的焊接效率高[4-6]；与传统焊接工艺相比，其焊接接头力学性能和焊缝质量优异。目前管线钢采用热丝TIG焊工艺进行施焊的情况还不多见。在此，采用热丝TIG焊接方法，研究X80管线钢焊接接头组织力学性能，为提高焊接接头强韧性提供理论基础。

1 实验材料和方法

实验采用某钢厂生产的X80管线钢，钢板主要化学成分及力学性能如表1和表2所示。钢板尺寸为500 mm×150 mm×18.4 mm，Y型坡口，坡口角度60°±5°，如图1所示。

表1 X80管线钢主要化学成分%

表2 X80管线钢力学性能

图1 焊接坡口尺寸和焊接道次

采用直径φ1.2 mm的ER70-3焊丝，用热丝TIG焊设备进行直缝手工焊接试验，焊接工艺参数如表3所示。焊前打磨钢板，去油除污。在焊后试件上截取金相组织分析试样，经过磨制、抛光、4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用光学显微镜和扫描电镜观察焊接接头不同区域的显微组织及断口形貌。按照国标制备焊接接头的拉伸、冲击试样并分别进行抗拉强度和冲击韧性等力学性能试验。

表3 热丝TIG焊接参数

2 实验结果和分析

2.1 显微组织分析

X80管线钢热丝TIG焊接头宏观形貌如图2所示，焊道内部没有气孔、夹杂以及未焊透等缺陷，焊缝边缘熔合良好，成形好。

图2 X80管线钢焊接接头宏观形貌

X80母材、熔合区、粗晶区、焊缝区和细晶区的显微组织如图3所示。母材组织主要是由粒状贝氏体（GB）、多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体组成（见图3a），粒状贝氏体和铁素体两者交错分布，使该钢种具有良好的强韧性。图3b为熔合区，X80热丝TIG焊接头的熔合区与细晶区、焊缝的分界线不十分明显，范围较窄，在显微镜下很难分辩，这是因为手工热丝TIG焊进行多层多道时采用的热输入较小。图3c为HAZ粗晶区，组织以贝氏体铁素体+粒状贝氏体为主。与母材相比，晶粒明显粗大，奥氏体晶界清晰可见。在焊接热循环作用下，HAZ要经历α→γ转变，阻碍奥氏体晶粒长大的高熔点的碳氮化物M（CN）粒子在较高温度下要发生溶解、沉淀及再析出，从而促进了奥氏体晶粒的生长[7]。同时碳原子也将在晶界聚集形成M-A组元，降低了焊接接头的韧性。因此控制HAZ粗晶区组织对提高焊接接头的性能非常重要。与粗晶区相比，HAZ细晶区（见图3d）组织细小，主要由多边形铁素体和少量贝氏体组成，两者分布较均匀，具有较好的力学性能。

图3 X80管线钢焊接接头显微组织

图3e为在焊缝区（WZ）的微观组织，主要以针状铁素体（AF）为主，焊缝组织中没有观察到明显粗大的魏氏组织。焊缝内的针状铁素体相互交错，尤如编织的筐篮，使焊缝区具有较高的强度和韧性。

2.2 焊接接头拉伸和冲击性能

根据API1104-2005标准的相关要求在焊接试样上截取力学性能测试试样。拉伸强度试样按标准加工成3根试样，最后求平均值。经测试焊接接头的平均抗拉强度为643 MPa，断裂位置在距离焊缝中心约20 mm处的母材上（见表4），表明焊缝的强度高于母材的强度。

表4 X80热丝TIG焊接头力学性能

冲击试验采用夏比V型缺口进行，分别在母材、焊接热影响区和焊缝中心部位取样并采用线切割加工成标准试样（V型缺口要沿板厚方向加工），每个部位截取3个试样，求平均值，测试结果如表4所示。由表4可知，在-30℃试验温度下，母材区的冲击功平均为187 J，焊缝区冲击功为139 J，热影响区的冲击吸收功最低，均满足使用要求。

焊缝区和热影响区在-30℃冲击断口扫描图片如图4所示。可以看出，两者的冲击吸收功差别不大，但断口形貌有很大的区别。焊缝区断口（图4a）除有较多的小韧窝外，还发现较多的河流花状，属准解理断裂。与焊缝区相比，热影响区断口（图4b）几乎没有发现小韧窝，主要以撕裂棱为主，属典型的脆性断裂，说明在断裂过程中，裂纹形成功所占的比例较大，在裂纹形成时消耗的弹、塑性变形能量较多，裂纹一旦形成很容易扩展断裂[8]。而焊缝区主是要由相互交错的针状铁素体组成，裂纹扩展功所占比例较大，裂纹形成不易脆断。故在焊缝区断口形貌可以观察到较多的韧窝断口特征。

2.3 焊接接头硬度

焊接接头维氏硬度测试点位置距离焊缝上表面约2 mm，加载量1 kg，加载时间10 s，X80热丝TIG焊接接头沿焊缝中心距离的显微硬度分布曲线如图5所示。

图4 接头冲击断口SEM形貌

由图5可知，焊缝区（WZ）平均硬度略高于母材（BM）。热影响区（HAZ）硬度低于WZ，离焊缝中心越远，硬度越低，最低硬度值约为200 HV。HAZ出现了明显的局部硬化和软化现象，硬化区主要出现在粗晶区和熔合区，硬度值高于母材；而软化区主要出现在母材邻近细晶区，其硬度值明显低于母材。与埋弧焊和熔化极气保焊相比，热丝TIG焊时热输入较小，故HAZ宽度并不大，约为1.5 mm。HAZ出现硬化的主要原因有两个：一是粗晶区以粒状贝氏体为主，粒状贝氏体具有较高的位错密度，使硬度升高；二是粗晶区存在脆性的M-A组元。在细晶区主要以塑性较好的多边形铁素体为主，这是导致出现软化的主要原因。

3 结论

（1）X80管线钢热丝TIG焊焊缝区组织以相互交错的针状铁素体为主；HAZ粗晶区是由贝氏体铁素体+粒状贝氏体组成的混合组织，还产生了较多且粗大M-A组元；HAZ细晶区主要是均匀细小的多边形铁素体组织。

图5 X80钢热丝TIG焊接头显微硬度变化曲线

（2）焊接接头平均抗拉强度为643 MPa，与母材组织达到了等强匹配；焊缝区冲击功（-30℃）平均值为139 J，高于HAZ，HAZ韧性最差，焊缝区主要是韧脆混合断裂为主，而HAZ主要以脆性断裂为主。

（3）焊缝区的硬度较高，焊接接头HAZ存在硬化和软化现象，粗晶区的硬化主要与析出的M-A组元有关，而细晶区的软化主要是塑性较好的多边形铁素体造成的。

[1]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（5）：541-546.

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[3]赵伟，邹勇，夏佃秀，等.X80管线钢焊条电弧焊接头组织与耐蚀性分析[J].焊接学报，2016，37（10）：51-54.

[4]赵福海，华学明，叶欣，等.热丝TIG焊方法最新研究进展[J].热加工工艺，2011，40（3）：151-155.

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[7]李继红，陈阳阳，刘明志，等.X100管线钢焊接接头组织及力学性能分析[J].热加工工艺，2015，44（9）：66-68.

[8]李龙庆，李大东，王艳.X80管线钢螺旋埋弧焊接头组织和冲击性能分析[J].热加工工艺，2014，43（3）：193-195.

Microstructure and mechanical properties of hot-wire TIG welded joints of X80 pipeline steel

YAO Zongxiang1，2，LI Dong1，WANG Gang1，YIN Limeng1，TANG Li1，ZHANG Yuan3
（1.School of Metallurgy and Materials Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2.Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong 643000，China；3.Sichuan Oil and Gas Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China）

Hot-wire TIG was used to weld X80 pipeline steel plate，the microstructure and mechanical properties of the welded joint were analyzed.The results show that:the microstructure of weld zone is acicular ferrite（AF），the microstructure of the coarse grain heat-affected zone is granular bainite（GB）and bainite ferrite（BF），and the microstructure of the fine grain heat-affected zone is polygonal ferrite（PF）and bainite；the average tensile strength of the welded joint is 643 MPa at room temperature.At-30℃，the impact absorption of weld zone is higher than that of heat affected zone，the weld is mainly composed of ductile and brittle fracture，and HAZ is mainly brittle fracture.The microhardness of the welded zone is higher than others，softening and hardening are founded in the heat-affected zone.

X80 pipeline steel；hot-wire TIG；welded joint；microstructure；mechanical properties

TG457.11

A

1001－2303（2017）08－0015-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.03

2017-06-20；

2017-07-06

国家自然科学基金面上项目（51674056）；重庆市前沿与应用基础研究项目（cstc2015jcyjA50017）；重庆市教委项目(KJ1713344）；材料腐蚀与防护四川省重点实验室开放课题（2016CL15）；重庆科技学院科研启动基金（CK2016Z08）；重庆市高校创新团队建设计划资助项目（CXTDX201601032）

姚宗湘(1978一)，女，河南人，副教授，主要从事新型焊接材料以及焊接工程结构方面的研究工作。E-mail：yaozongx@163.com。

本文参考文献引用格式：姚宗湘，李东，王刚，等. X80 管线钢热丝TIG焊接接头显微组织和力学性能[J].电焊机，2017，47（08）：15-18.