高強度管線鋼API X65 焊縫硬度分布及機理

鄔昌華 田洪志 沈一東（國核工程有限公司，上海 200233)

1 引言

隨著管道工業(yè)的蓬勃發(fā)展,特別是石油、天然氣長輸管線的發(fā)展,現(xiàn)在鋼鐵工業(yè)運用金屬學(xué),冶金學(xué)等諸多科學(xué)理論方法和現(xiàn)代的生產(chǎn)工藝,研制出多種管線鋼,X65 就是其中一種優(yōu)良高強度低合金鋼，該鋼突破傳統(tǒng)的C-Mn 合金化加正火的生產(chǎn)過程，在鋼中加入微量（不大于0.2%）Nb,V,Ti 等合金元素，并通過控扎工藝，使鋼的綜合性能得到很明顯的改善。但是由于焊接的原因，在焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)脆硬的薄弱環(huán)節(jié)，從而影響整個長輸管線的安全。本文通過采用低氫焊條LB-78VS，采用FCAW 方法對X65 管材接焊縫,在焊態(tài)下對焊縫不同區(qū)域進(jìn)行硬度測試和晶相觀察，得出焊縫和熱影響區(qū)的硬度分布，以及焊接后續(xù)熱循環(huán)對焊縫硬度測和晶相的影響。為提高焊縫薄弱區(qū)域的綜合性能提供理論依據(jù)。

2 實驗工藝與試件

2.1 母材X65（日本產(chǎn)）化學(xué)成分

母材X65（日本產(chǎn)）化學(xué)成分見表1。

表1 X65 鋼材的化學(xué)成分

2.2 焊材LB-78VS 理化性能

焊材LB-78VS 理化性能見表2、表3。

表2 焊絲LB-78VS的機械性能

2.3 焊材LB-78VS 化學(xué)成分

焊材LB-78VS 化學(xué)成分見表3。

表3 焊絲LB-78VS的化學(xué)成分

3 焊接試件的制作及硬度試驗

3.1 距離母材表面1mm 位置試驗

圖1 硬度試驗方向

所得一系列硬度數(shù)據(jù)見表4。

圖2 硬度分布圖

在熔化焊的過程中，從母材往焊縫方向分別分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)。而焊接熱影響（HAZ）又可分：時效區(qū)（300℃～Ac1）、重結(jié)晶區(qū)(Ac1～1100)、融合區(qū)。從上面微觀晶相可看出，時效區(qū)的晶粒主要為鐵素體和珠光體，而在再結(jié)晶區(qū)為細(xì)化的鐵素體和珠光體，其硬度較母材區(qū)大；而在融合區(qū)，由于過熱和冷卻較快的影響，而出現(xiàn)柱狀晶，因而脆性達(dá)到最大，硬度也達(dá)到一個峰值。由此看出，融合區(qū)雖然區(qū)域狹小，但其化學(xué)成份和組織性能上都有較大的不均勻性，硬度大，脆性高，所以是產(chǎn)生裂紋（特別是冷裂紋）和脆性破壞的發(fā)源地。

3.2 距離母材底面1mm 位置試驗

圖3 硬度試驗方向

圖4 距離母材底面1mm 硬度分布圖

從表5 和圖3、圖4，可清楚地看到，焊縫距反面1mm 處的重結(jié)晶區(qū)和HAZ 融合區(qū)的硬度明顯低于焊縫表面處的相應(yīng)位位置，且硬度變化平穩(wěn)，從晶相圖可以得到合理的解釋，由于在后續(xù)焊接熱循環(huán)的影響下，原HAZ 區(qū)的晶粒度明顯細(xì)化，硬度與距表面1mm的試樣降低，脆性因而降低，韌度增強。

表5 距離焊縫根部表面1mm 位置硬度值

表6 焊縫根部至表面硬度值

3.3 沿焊縫中軸線（從焊縫根部到焊縫表面方向）試驗

圖5 焊縫中心硬度試驗方向

圖6 焊縫根部至表面硬度分布圖

在焊縫中軸從根部到焊縫表面，由于后一道焊縫對前一道焊縫的焊接熱循環(huán)影響，其晶粒度明顯細(xì)化，從硬度的圖表可看出，離根部越近，其受到多次焊接熱循環(huán)影響，硬度比上一層更低。并且后一層焊縫的硬度略微比后前一道焊縫高。

4 結(jié)論

在焊接過程中，母材及熱影響區(qū)各點距焊縫的遠(yuǎn)近不同，各點所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)也不同，就會出現(xiàn)不同的組織，具有不同的性能，使得母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的組織和性能呈現(xiàn)不均勻性。

在離焊縫表面較近區(qū)域，從母材向焊接熱影響區(qū)過渡，焊縫硬度逐漸增大，在融合區(qū)達(dá)到最大。由于融合區(qū)緊鄰焊縫，其溫度范圍在固液相之間，焊縫在此出現(xiàn)柱狀晶區(qū)，因此硬度達(dá)到最大。隨后從融合區(qū)到達(dá)粗晶區(qū)（過熱區(qū)）、正火區(qū)（相變重結(jié)晶），硬度逐漸下降，達(dá)到平穩(wěn)。 因此融合區(qū)是產(chǎn)生裂紋、脆性破壞的發(fā)源地。因此，在對韌性有要求的焊縫，適宜的熱處理顯然是必須的。

在離焊縫表面較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于后續(xù)的焊縫對先前的焊縫在焊接熱循環(huán)的熱處理作用，所以硬度比較平穩(wěn)，焊縫與母材區(qū)硬度相差不大，焊縫韌性較好。從焊縫中軸上的硬度分布分析，焊縫的后續(xù)焊道對前一焊道的焊接熱循環(huán)作用下，前一道焊道較后續(xù)焊道硬度低，韌性方面有更好的優(yōu)越性。但是從研究表明，在焊接過程中，應(yīng)控制好焊縫的熱輸入量，避免粗晶區(qū)長大，減少在焊接冷卻條件下上貝氏體和魏氏體等脆性組織的產(chǎn)生，從而提高韌性。

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