自保護(hù)藥芯焊絲中Cr含量對鋼管焊縫沖擊性能及組織的影響

汪 鳳，范玉然，張希悉，孫巧飛

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000）

0 前 言

近年來，隨著石油、天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，油氣輸送管道的建設(shè)也達(dá)到了高峰期。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊接技術(shù)具有焊接生產(chǎn)率高、抗風(fēng)能力強(qiáng)、焊接工藝性能好和綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被越來越廣泛地應(yīng)用于管道施工中，因此，自保護(hù)藥芯焊絲焊接接頭的性能引起了管道建設(shè)者的廣泛關(guān)注。然而，保護(hù)藥芯焊絲焊接接頭沖擊性能不穩(wěn)定一直是影響自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝工程應(yīng)用的主要因素。

本研究從自保護(hù)藥芯焊絲合金元素角度出發(fā)，探究了自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊縫沖擊性能不穩(wěn)定的主要影響因素。采用兩種不同Cr含量的自保護(hù)藥芯焊絲對同一種鋼板進(jìn)行焊接，對獲得的焊縫金屬進(jìn)行夏比沖擊性能檢測和金相組織分析，探究了合金元素Cr對自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊焊縫組織及沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為X70管線鋼，壁厚14.5 mm，化學(xué)成分見表1，焊材為金橋焊材有限公司配制的自保護(hù)藥芯焊絲，焊絲熔敷金屬化學(xué)成分見表2。兩種焊材中成分差異較大的為Cr含量，目的是為了研究該合金元素對焊縫沖擊性能和組織的影響。焊材熔敷金屬的力學(xué)性能見表3。焊接工藝參考西氣東輸二線的工藝，焊接坡口形式如圖1所示。

表1 X70管線鋼化學(xué)成分%

表2 焊材熔敷金屬化學(xué)成分%

表3 焊材熔敷金屬力學(xué)性能

圖1 焊接坡口形式

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)西氣東輸二線工程焊接工藝，對表2中的自保護(hù)藥芯焊絲與表1中的母材進(jìn)行焊接匹配試驗(yàn)。因焊縫的區(qū)別僅在焊絲合金元素含量的不同，故下文以焊絲編號對焊縫加以區(qū)分。對不同匹配的焊縫進(jìn)行系列溫度下的夏比沖擊試驗(yàn)，焊縫沖擊試樣均取自焊縫中心，得到的系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4，圖2為焊縫韌脆轉(zhuǎn)變曲線?？梢钥闯?，由于焊材中Cr含量的不同，焊縫韌脆轉(zhuǎn)變存在明顯的差異。

表4 焊縫系列溫度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖2 焊縫試樣的韌脆轉(zhuǎn)變曲線對比

對焊縫金屬進(jìn)行組織觀察，金相組織結(jié)果如圖3所示。為了分析焊縫中M/A含量、形態(tài)及分布差異，對焊縫進(jìn)行了彩色金相分析，彩色金相試劑為Lepera，分析結(jié)果如圖4所示。

考慮到工程實(shí)用性，僅對－20℃條件下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。同時，由于自保護(hù)藥芯焊絲在工程上應(yīng)用時，主要問題表現(xiàn)為沖擊離散性大，因此，本研究對幾種焊縫試樣的沖擊離散性進(jìn)行了比較分析。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征焊縫沖擊離散度。焊縫系列溫度下沖擊離散度計(jì)算結(jié)果見表5，沖擊性能的對比直方圖如圖5所示。

圖3 焊縫試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果200×

圖4 焊縫試樣彩色金相結(jié)果500×

表5 －20℃條件下五種焊縫沖擊離散性分析

圖5 焊縫試樣沖擊性能對比直方圖

從圖4可以看出，－20℃條件下，Cr含量較高的1#焊縫試樣沖擊功平均值高于2#焊縫，但沖擊功離散度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2#焊縫試樣。

從圖3焊縫組織分析結(jié)果可以看出，雖然兩種焊縫組織主要均為貝氏體+鏈狀組織，但1#和2#試樣的焊縫組織存在以下差異。

（1）焊縫組織晶粒大小不同，Cr含量高的1#組織較2#組織粗大。

（2）貝氏體中的碳化物顆粒大小不同，Cr含量高的1#焊縫試樣組織中，貝氏體晶粒中的長島狀碳化物顆粒比2#焊縫貝氏體晶粒中的長島狀碳化物顆粒粗大。

（3）焊縫中鏈狀組織的分布不同，1#焊縫組織中的鏈狀組織主要分布于粗大貝氏體組織的晶界 （見圖4中亮白色為M/A島），且呈明顯的鏈狀分布，而2#焊縫組織中的鏈狀組織主要分布于細(xì)小貝氏體組織的晶界，鏈狀分布特征不如1#焊縫試樣明顯。

為了便于比較焊縫組織差異，采用圖像處理方法，對圖4中M/A所占面積比例進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。從表6可以看出，1#焊縫組織中的M/A含量較2#高兩倍，且1#焊縫中的M/A較2#焊縫中的密集程度高。

表6 焊縫金相組織中M/A含量

Cr對提高焊縫的淬透傾向作用比較強(qiáng)，并可以提高脆性轉(zhuǎn)變溫度。Cr能降低γ→α轉(zhuǎn)變的相變溫度[3-4]，還能阻礙C擴(kuò)散，故對推遲貝氏體轉(zhuǎn)變的作用很強(qiáng)。Cr可以顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變，使鋼容易獲得貝氏體組織，并增加M/A相的數(shù)量[5-6]。因此，在Cr含量較高的焊縫組織中，M/A島組織的比例更高，這點(diǎn)可以從圖3和圖4焊縫金屬組織中看出。這也是Cr含量較高的1#焊縫組織為貝氏體，且貝氏體中長島狀的碳化物較2#焊縫組織粗大，同時組織中鏈狀M/A含量較2#焊縫高的原因。而貝氏體組織中的長島狀碳化物粗大將不利于焊縫的沖擊韌性[7]。

M/A組元的數(shù)量、形態(tài)以及分布都會對焊接接頭的沖擊韌性造成影響[8]。M/A組元為脆相，在外載荷作用下，當(dāng)位錯運(yùn)動至M/A組元處，M/A組元會阻礙位錯運(yùn)動而形成位錯塞積，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使形成解理裂紋，M/A組元數(shù)量越多，越容易萌生裂紋[9]；尺寸大的M/A組元易達(dá)到Griffith裂紋的臨界尺寸，有利于裂紋的擴(kuò)展[10-12]。因此，對于焊縫組織中存在M/A的焊縫，在沖擊取樣時，一旦焊縫缺口所開位置處M/A密集程度較高，在沖擊載荷的作用下，基體將迅速啟裂，且由于脆性M/A的存在，裂紋將迅速擴(kuò)展，直至斷裂。這也可能是Cr含量高的1#焊縫沖擊功離散性較2#焊縫大的原因。

3 結(jié) 論

本研究采用兩種不同Cr含量的自保護(hù)藥芯焊絲對同一種鋼板進(jìn)行焊接，對獲得的焊縫金屬進(jìn)行了夏比沖擊性能檢測和金相組織分析，可以得到以下結(jié)果。

（1）自保護(hù)藥芯焊絲中的合金元素Cr含量不同，焊縫金屬組織不同，Cr含量高的1#焊縫金屬組織中貝氏體組織中的長島狀碳化物顆粒粗大，且組織中的鏈狀M/A含量和密集程度較高。

（2）自保護(hù)藥芯焊絲中的合金元素Cr含量不同，焊縫沖擊性能不同，Cr含量高的1#焊縫金屬較含Cr量低的焊縫金屬沖擊功離散性大。

（3）焊縫組織中存在M/A組元將不利于焊縫沖擊性能的穩(wěn)定，M/A組元含量越高，焊縫沖擊功離散性越大。

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