不同焊丝对X65M管线钢管焊接接头组织与低温冲击韧性的影响

2023-09-19杜健辉廖聪李伟施良政

焊接 2023年9期

杜健辉,廖聪,李伟,施良政

(1.岭南师范学院，广东湛江 524048；2.番禺珠江钢管（珠海）有限公司，广东珠海 519050)

0 前言

在石油和天然气工程中，钢管材料的性能至关重要，特别是严酷环境下，需要具有高强度、高韧性和耐久性的材料，故材料改进成为钢材制造商及钢管制造商共同努力的目标。在这种背景下，阿尔及利亚客户提出了需要验证API 5LX65M钢管[1]。在阿尔及利亚方的客户技术规格书中，除要求符合API 5L 45th PSL2规范外，还对材料的夏比V形缺口冲击吸收能量提出了要求：考虑钢管产品服役环境，冲击试验温度为-29 ℃，试样位置为管体母材、焊缝中心、热影响区，试验验收指标为单个值≥ 49 J，平均值≥ 61 J。基于经济效益考虑，客户在含钼Mo，不特意添加金属元素铌Ni或低Ni含量的情况下，保证钢板能满足各项力学性能指标，包括-29 ℃的夏比冲击要求。有鉴于此，文中采用4种内外焊匹配方案，包括H08DG，H08C及自行研制的MK65HGXIII焊丝的不同组合，对X65M级别钢材进行焊接工艺试验，研究其对焊接接头的阻止及力学性能的影响，评价工艺试验结果是否符合客户的技术要求及其他要求。

1 试验方法

试用4种焊丝匹配方案和X65M母管材料进行焊接工艺试验。钢管材料的化学成分见表1，X65M采用0.06C-中Mn系列 + 0.4Nb + 0.05Mo。

表1 母管材料的化学成分（质量分数,%）

该钢管材料满足API 5L 45th PSL2对X65M的要求。可以看到，钢管材料的碳含量和合金含量都比较低，结合良好的热机械轧制工艺，可以获得细化的微观组织。

根据母材的化学成分和焊缝低温冲击性能要求，拟定采用了低碳C的MnNiTiB，MnMoNiTiB和MnMoTiB合金系列焊丝，焊丝的化学成分设计详见表2。

表2 焊丝材料的化学成分（质量分数,%）

焊丝成分设计选用原则为：①添加Mn合金元素可以提高焊缝金属的强度[2 - 3]；②添加微量元素钛Ti、硼B，焊接时容易产生钛元素的氧化物和氮化物，从而抑制先共析铁素在晶界形核长大，同时为针状铁素体提供形核核心，有利于提高针状铁素体比例[4]；③添加铌Ni合金元素，有助于提高焊缝中针状铁素体和细小的粒状贝氏体铁素体的含量，能够增强焊缝金属的强韧性[5 - 6]；④而添加适量的钼Mo合金元素能降低相变温度，推迟多边形和块状铁素体的转变，延迟贝氏体转变，促使针状铁素体转变，并且同时可细化晶粒尺寸，降低韧脆转变温度[7 - 8]。

钢管焊接工艺采用内外单层多丝焊，内焊一层一道三丝焊，外焊一层一道四丝焊，拟定内外焊的方案。

内焊和外焊的前丝采用DC-1500数字化直流埋弧焊机，内焊中丝、后丝、外焊的中丝1、中丝2和后丝采用AC-1500数字化交流埋弧焊机。

焊接工艺参数见表3。焊接前，需要把在试样板上开X形坡口，装配前坡口及附近应无影响焊接质量的杂物[9]。装配间隙1.0 mm，错边0.8 mm，在试件的背面首先采用气保焊进行预焊[10]。

表3 焊接工艺参数

焊接后，分析焊接接头成分，观察其金相微观组织，测定显微硬度和夏比V形缺口试验[11]。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝成分分析

表4是不同焊丝方案焊缝熔敷金属的化学成分分析结果。

表4 焊缝熔敷金属的化学成分（质量分数,%）

2.2 宏观组织分析

由于篇幅原因，文中只通过图1列出N04焊丝方案所焊的X65M管线钢接头的显微组织。

图1 N04焊丝的焊缝和热影响区（粗晶区）的显微组织

如图1a所示，外焊缝、焊缝根部、内焊缝各区域内的金相组织分布基本均匀较为一致，晶内主要为细小的针状铁素体（AF）组织，在局部区域存在多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）组织，以及少量的珠光体（P）组织。焊缝金属中AF含量可达70%～85%，PF和QF含量约为5%～10%，剩余部分为P。其中针状铁素体主要以多位向、相互交错分布，犹如筐篮的编织结构，其晶界呈现大角度界面，有利于提高微裂纹扩展阻力，使焊缝具有良好的低温强韧性[12]。

对于外焊缝、焊缝根部、内焊缝3个区域，焊缝根部区域的组织均匀性稍差，主要是由于其处于中部，在前后内外焊接时，属于二次加热区域，会造成一定的物相偏析（不排除有成分偏差的可能性），再其次其处于焊缝中心，二次加热，冷却速度相对内外焊缝降温较慢，会促成晶粒长大，所以其晶粒与内外焊缝相比会偏大[13]。内焊缝的组织均匀性最好，主要是受外焊缝焊接时加热温度的影响有“退火”功能，其组织更均匀。

如图1b所示，内焊、外焊、焊缝根部3个位置的热影响区，晶界内主要为多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）组织，并以无序界面的多边形和不规则的粗大块状存在，呈现网状分布。在局部区域出现了少量的层片状形态的珠光体，且原始晶界中出现的M-A岛状组织。这种铁素体 + 珠光体的组织形式，致使热影响区性能恶化。

内焊、外焊、焊缝根部3个位置的热影响区区域相比较而言，内焊热影响区组织均匀性相对较好，原始奥氏体晶粒度大小相对较小，主要是由于焊接热输入小。而外焊、焊缝根部热影响区因为属于高热输入或二次加热区域，导致热影响区性能下降。

2.3 硬度试验

根据技术要求，参照ASTM E384—2011el标准《材料的努氏和维氏硬度标准试验方法》[14]。焊接接头按图2标识的点进行取样，数据图2所示，可以看到，焊缝中心的热影响区硬度最高，热影响区的硬度最低，最大硬度为232 HV10，最小硬度为188 HV10，均满足阿尔及利亚市场的客户技术要求最大允许硬度不超过250 HV10的要求。

图2 不同焊丝的焊接接头硬度分布

2.4 夏比冲击试验

如图3所示，从4种焊丝焊接的焊缝接头中，截取焊缝和热影响区制作夏比V形缺口试样，每种焊丝测试5个试样，分别是20，0，-29，-40，-60 ℃。参照ASTM A370—2012a标准《钢产品机械性能试验的方法与定义》，对热影响区和焊缝处取试样，在JBD-30D 低温冲击机上进行多个温度的夏比冲击试验[15]。

图3 焊接接头的夏比冲击试验结果

根据对焊缝和热影响区冲击验收值：在-29 ℃条件，没有规定塑性剪切面积值，只要求单个大于49 J，平均值大于61 J，见表5。从4套焊丝匹配方案中可以看出，N03的焊缝冲击没有通过技术要求，其他均可满足技术要求。不含Mo钢板匹配的4种基本的焊丝合金成分的夏比冲击试验过渡曲线可知， N04（MnMoNiTiB）合金系保证了较大体积分数的细晶针状铁素体和低的氮含量，所以N04合金系和N02 和N03（MnMoNi + MnMoTiB）合金系接近上平台区（常温区间）韧性值比N01（MnNiTiB）合金系高，转变温度也更低，N02 和N03（MnMoNi + MnMoTiB）组合合金系在低温波动较大。从经济性上看，N01方案满足技术要求，同时价格在4个方案中是最低的。