自保护药芯焊丝焊接X80管线钢管环焊缝接头的显微组织与力学性能

(沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳 110136)

0 引 言

近年来，随着人类对能源需求的日益增加，油气管线尤其是天然气管线发展迅速，且主要呈现出距离长、口径大、压力高的发展趋势[1]。目前，X80管线钢已成功应用于我国“西气东输”二线工程中，野外施工时主要采用环焊缝全位置焊接工艺；焊接接头的质量对管线服役期间的稳定性和安全性具有决定性的作用。学者们对X80管线钢配套焊接材料的研制、焊接方法与工艺、接头力学性能、热影响区的脆化与软化、焊接冷裂纹等问题进行了大量研究[2-5]。研究表明，自保护药芯焊丝半自动焊接是X80管线钢管环焊缝的主要焊接方法[6]。李继红等[7]、张敏等[8]研究发现，自保护药芯焊丝焊接X80管线钢接头焊缝区的显微组织主要为针状铁素体，热影响区的主要为粒状贝氏体和贝氏体铁素体，焊缝中针状铁素体的形成有利于提高焊缝的强度和韧性。目前，大多数研究采用的工艺均为在水平位置对标准焊板进行焊接。但在实际工程应用中，钢管尺寸较大，导致焊缝冷却速率较大；同时环焊缝焊接时涉及平焊、立焊、仰焊等多个焊接位置的变化，可能导致焊缝组织和焊缝成形的变化[9]。这些均使得实际工程应用时接头的组织和性能与试验研究时的存在较大差异，而有关实际应用条件下X80管线钢管环焊缝接头组织及力学性能的研究报道较少。

因此，作者采用自保护药芯焊丝半自动焊接工艺对X80管线钢管进行环焊缝焊接，分析了不同焊接位置接头不同区域的焊缝成形、显微组织与力学性能，为提升管线建设质量提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为鞍钢集团公司生产的X80管线钢管，规格为φ1 219 mm×22 mm，其化学成分如表1所示，抗拉强度为690 MPa，屈服强度为610 MPa，-10 ℃下的平均夏比冲击吸收功为260 J。

表1 X80管线钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel (mass) %

焊接过程中采用双V型复合焊接坡口，坡口尺寸如图1所示。施焊前清理距坡口边缘30 mm范围内钢管内、外表面的铁锈、油污等杂质，直至显现金属光泽。采用半自动焊工艺进行根焊、填充焊和盖面焊。采用Lincoln Invertec STT-Ⅱ型电源和LN-742型送丝机进行根焊，焊接材料为BOEHLER SG3-P实芯焊丝，焊丝直径为1.2 mm，焊前预热100 ℃，焊接峰值电流和基值电流分别为410，54 A，电源极性为直流反接，送丝速度为5.0 mm·s-1，保护气体为CO2，气体流量为22 L·min-1。选用Lincoln DC-400型焊接电源和LN-23P型送丝机进行填充焊和盖面焊，电源极性为直流正接，焊接材料为自制BaF2-Al-Mg渣系自保护药芯焊丝[3]，焊丝直径为2.0 mm，其熔敷金属的化学成分如表2所示。填充焊和盖面焊的工艺参数如表3所示，从管顶位置(平焊位置)开始同时向两侧对称施焊。

图1 钢管接头坡口尺寸Fig.1 Dimension of steel pipe joint groove

表2 自保护药芯焊丝熔敷金属的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of deposited metal with self-shielded flux cored wire (mass) %

表3 填充焊及盖面焊工艺参数Table 3 Parameters of filling welding and cap welding

1.2 试验方法

按照Q/SY GJX 01110-2007，分别在图2所示的环焊缝接头平焊(M1)、立焊(M2)、仰焊(M3)位置,在焊缝横截面上截取金相试样，经预磨、抛光，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用ZSA403型体视显微镜和OLYMPUS GX71型光学显微镜观察焊缝的宏观形貌和显微组织。采用HVS-50型维氏硬度计测试在M1位置处母材(BM)、热影响区(HAZ)和焊缝(WM)的硬度，载荷为98 N，保载时间为20 s，具体测试位置如图3所示。按照Q/SY GJX 01110-2007，分别在图2所示的环焊缝接头T1,T2,T3,T4位置，沿焊缝横截面、以焊缝为中心截取矩形拉伸试样，拉伸试样的标距为60 mm，采用MTS Landmark型电液伺服试验系统进行室温拉伸试验，拉伸速度为0.5 mm·min-1；使用Zeiss-Sigma型场发射扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。按照GB/T 2650-2008和GB/T 229-2007，分别以环焊缝接头C1和C2位置(如图2所示)处焊缝和热影响区为中心截取夏比V型缺口冲击试样，冲击试样尺寸均为10 mm×10 mm×55 mm，采用ZBC2502-2型冲击试验机进行冲击试验，测试温度为-10 ℃，每组测3个试样取平均值。

图2 环焊缝接头取样位置示意Fig.2 Diagram of sampling location of girth joint

图3 硬度测试位置示意Fig.3 Schematic of hardness testing location

2 试验结果与讨论

2.1 宏观形貌

由图4可以看出，不同焊接位置处的焊缝均成形良好，无气孔、夹渣和未熔合等缺陷，说明自制的自保护药芯焊丝具有良好的全位置焊接适应性。接头均由焊缝、热影响区和母材组成，但不同焊接位置处焊层数和焊缝宽度有所不同。除根焊层和盖面层外，M1位置和M2位置均含有6层填充层，而处于仰焊位置的M3位置，焊接时由于熔池下坠导致每道焊层均较厚，因此仅含有5层填充层。由于M1、M3位置处的盖面层均由两条焊道组成而M2位置处的盖面层仅有一条焊道，因此选择次表层的填充层进行焊缝宽度的对比。M1、M2位置处焊缝的宽度基本相同，分别为15.0，14.8 mm，而M3位置处的焊缝宽度较小，仅为13.2 mm。

图4 不同焊接位置处接头的宏观形貌Fig.4 Macromorphology of joint at different welding positions:(a) M1 position; (b) M2 position and (c) M3 position

2.2 显微组织

由图5(a)可以看出：X80管线钢母材组织由细小的准多边形铁素体、针状铁素体、马氏体-奥氏体(M-A)组元和少量粒状贝氏体组成，组织沿轧制方向拉长，呈条带状分布。观察发现，焊接位置对盖面层和填充层焊缝组织没有明显影响。由图5(b)和图5(c)可知：盖面层组织呈柱状晶形态，晶内由板条贝氏体、针状铁素体及少量粒状贝氏体组成；由于是多层多道焊，先焊焊道受后焊焊道的热作用，柱状晶特征消失，因此填充层焊缝晶粒细小且均匀，主要由准多边形铁素体和粒状贝氏体组成。接头热影响区由细晶区和粗晶区组成，且焊接位置对细晶区组织没有显著影响。由图5(d)可知，热影响区细晶区由细小均匀的细晶铁素体和针状铁素体组成，与母材相比，该区域发生了再结晶，条带状组织消失。由图5(e)～图5(g)可知：热影响区粗晶区组织均由板条贝氏体、粒状贝氏体和少量准多边形铁素体组成；与母材相比，该区域组织因受焊接热循环作用而发生了明显的粗化，并且平焊位置和仰焊位置处的奥氏体晶粒比立焊位置处的更为粗大，这主要是因为在实际焊接过程中，立焊处的焊接速度更大，使得焊接热影响区的峰值温度降低，从而降低了热影响区粗晶区奥氏体晶粒的粗化程度[10]。

2.3 力学性能

2.3.1 硬 度

由表4可知，焊缝和热影响区的硬度相当，均略低于母材的硬度。与母材相比，热影响区细晶区在焊接热循环作用下发生再结晶，导致位错密度显著降低；热影响区粗晶区的晶粒发生明显粗化。因此热影响区的硬度低于母材的。与母材相比，焊缝区的晶粒尺寸较粗，因此其硬度较低。焊缝和热影响区没有出现硬度明显低于母材的软化区，并且各测试点的硬度均满足Q/SY GJX 01110-2007中规定的环焊缝硬度不高于300 HV的要求。

表4 接头不同区域的硬度Table 4 Hardness of different regions in the joint HV

2.3.2 冲击性能

由表5可以看出，立焊位置焊缝中心(C2)的平均冲击吸收功比平焊位置焊缝中心(C1)的高，其原因在于立焊位置采用了立下向焊接工艺，具有焊接速度快、焊层薄的特点，导致焊缝组织更加均匀，从而表现出更高的冲击韧性。立焊位置热影响区的平均冲击吸收功也高于平焊位置热影响区的，这是由于立焊位置处热影响区的晶粒尺寸比平焊位置的细小。

表5 不同焊接位置接头中焊缝及热影响区的-10 ℃冲击吸收功Table 5 Impact absorbing energy at -10 ℃ of weld and heat-affected zone in the joint at different welding positions J

2.3.3 拉伸性能

由表6可以看出，T1、T4位置的抗拉强度略低于T2、T3位置的，不同位置的抗拉强度均满足Q/SY GJX 01110-2007中X80管线钢环焊缝最低抗拉强度(620 MPa)的要求。T1、T4位置的拉伸试样在焊缝区断裂，T2、T3位置的在母材区断裂。观察发现，不同焊接位置的拉伸断口形貌相似，断裂前均发生了明显的塑性变形。以T1位置处的拉伸断口形貌为例进行观察，由图6可以看出，拉伸断口由均匀而细小的韧窝组成，属于典型的韧性断裂形貌。

表6 不同焊接位置接头的拉伸性能与断裂位置Table 6 Tensile properties and fracture location of the joint at different welding positions

图6 接头T1位置处的拉伸断口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of the joint at T1 position

3 结 论

(1) 采用自制BaF2-Al-Mg渣系自保护药芯焊丝对X80管线钢进行环焊缝焊接后，不同焊接位置的焊缝成形良好，该自保护药芯焊丝具有良好的全位置焊接适应性。

(2) 不同焊接位置接头焊缝组织基本相同，盖面层主要由板条贝氏体和针状铁素体组成，填充层为细小的粒状贝氏体和准多边形铁素体；焊接位置对热影响区细晶区组织沿有明显影响，组织均由细晶铁素体和针状铁素体组成；热影响区粗晶区主要由粗大的板条贝氏体和粒状贝氏体组成，立焊位置热影响区粗晶区的晶粒尺寸比平焊和仰焊位置的细小。

(3) 接头各区域的硬度分布较为均匀，立焊位置焊缝和热影响区的-10 ℃平均冲击吸收功比平焊位置的高；不同焊接位置接头的抗拉强度相当，接头具有良好的强韧性匹配，拉伸断口呈韧性断裂特征。