X80管線鋼熱絲TIG焊接接頭顯微組織和力學性能

姚宗湘，李 東，王 剛，尹立孟，唐 麗，張 圓

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000；3.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川成都610213）

X80管線鋼熱絲TIG焊接接頭顯微組織和力學性能

姚宗湘1，2，李 東1，王 剛1，尹立孟1，唐 麗1，張 圓3

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000；3.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川成都610213）

采用熱絲TIG焊對X80鋼板進行對接，并研究了接頭的顯微組織和力學性能。結果表明：焊縫區(qū)主要為針狀鐵素體（AF）組織，熱影響區(qū)粗晶區(qū)主要為貝氏體鐵素體（BF）和粒狀貝氏體（GB）組織，細晶區(qū)主要是多邊形鐵素體（PF）和少量貝氏體組成；焊接接頭的平均抗拉強度為643MPa，斷裂在母材區(qū)；在-30℃時焊縫區(qū)的沖擊吸收功高于熱影響區(qū)，焊縫主要是韌脆混合斷裂為主，而HAZ主要以脆性斷裂為主。焊縫區(qū)的硬度較高，焊接接頭HAZ存在硬化和軟化現(xiàn)象。

X80管線鋼；熱絲TIG焊；焊接接頭；顯微組織；力學性能

0 前言

中國油氣管道正朝著高強、高壓、厚壁和大口徑技術發(fā)展，這對管線鋼的強韌性要求也越來越高[1]。X80管線鋼是一種高強度低合金鋼（HSLA），已成功應用在西氣東輸二線段干線工程上，因其具有較高的強度及良好的強、韌匹配，在世界范圍內擁有廣闊的應用前景[2]。焊接是影響管線鋼應用及管線安全的關鍵技術之一[3]。如何保證管線鋼焊接接頭在不均勻受熱后的強度和韌性，尤其是焊縫區(qū)的低溫韌性，已成為該鋼的研究焦點之一。

熱絲TIG焊是一種高效、低耗、優(yōu)質的焊接工藝方法，已成為中厚板結構焊接的首選。與冷絲相比，熱絲TIG焊的焊接效率高[4-6]；與傳統(tǒng)焊接工藝相比，其焊接接頭力學性能和焊縫質量優(yōu)異。目前管線鋼采用熱絲TIG焊工藝進行施焊的情況還不多見。在此，采用熱絲TIG焊接方法，研究X80管線鋼焊接接頭組織力學性能，為提高焊接接頭強韌性提供理論基礎。

1 實驗材料和方法

實驗采用某鋼廠生產的X80管線鋼，鋼板主要化學成分及力學性能如表1和表2所示。鋼板尺寸為500 mm×150 mm×18.4 mm，Y型坡口，坡口角度60°±5°，如圖1所示。

表1 X80管線鋼主要化學成分%

表2 X80管線鋼力學性能

圖1 焊接坡口尺寸和焊接道次

采用直徑φ1.2 mm的ER70-3焊絲，用熱絲TIG焊設備進行直縫手工焊接試驗，焊接工藝參數(shù)如表3所示。焊前打磨鋼板，去油除污。在焊后試件上截取金相組織分析試樣，經過磨制、拋光、4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織及斷口形貌。按照國標制備焊接接頭的拉伸、沖擊試樣并分別進行抗拉強度和沖擊韌性等力學性能試驗。

表3 熱絲TIG焊接參數(shù)

2 實驗結果和分析

2.1 顯微組織分析

X80管線鋼熱絲TIG焊接頭宏觀形貌如圖2所示，焊道內部沒有氣孔、夾雜以及未焊透等缺陷，焊縫邊緣熔合良好，成形好。

圖2 X80管線鋼焊接接頭宏觀形貌

X80母材、熔合區(qū)、粗晶區(qū)、焊縫區(qū)和細晶區(qū)的顯微組織如圖3所示。母材組織主要是由粒狀貝氏體（GB）、多邊形鐵素體（PF）和準多邊形鐵素體組成（見圖3a），粒狀貝氏體和鐵素體兩者交錯分布，使該鋼種具有良好的強韌性。圖3b為熔合區(qū)，X80熱絲TIG焊接頭的熔合區(qū)與細晶區(qū)、焊縫的分界線不十分明顯，范圍較窄，在顯微鏡下很難分辯，這是因為手工熱絲TIG焊進行多層多道時采用的熱輸入較小。圖3c為HAZ粗晶區(qū)，組織以貝氏體鐵素體+粒狀貝氏體為主。與母材相比，晶粒明顯粗大，奧氏體晶界清晰可見。在焊接熱循環(huán)作用下，HAZ要經歷α→γ轉變，阻礙奧氏體晶粒長大的高熔點的碳氮化物M（CN）粒子在較高溫度下要發(fā)生溶解、沉淀及再析出，從而促進了奧氏體晶粒的生長[7]。同時碳原子也將在晶界聚集形成M-A組元，降低了焊接接頭的韌性。因此控制HAZ粗晶區(qū)組織對提高焊接接頭的性能非常重要。與粗晶區(qū)相比，HAZ細晶區(qū)（見圖3d）組織細小，主要由多邊形鐵素體和少量貝氏體組成，兩者分布較均勻，具有較好的力學性能。

圖3 X80管線鋼焊接接頭顯微組織

圖3e為在焊縫區(qū)（WZ）的微觀組織，主要以針狀鐵素體（AF）為主，焊縫組織中沒有觀察到明顯粗大的魏氏組織。焊縫內的針狀鐵素體相互交錯，尤如編織的筐籃，使焊縫區(qū)具有較高的強度和韌性。

2.2 焊接接頭拉伸和沖擊性能

根據API1104-2005標準的相關要求在焊接試樣上截取力學性能測試試樣。拉伸強度試樣按標準加工成3根試樣，最后求平均值。經測試焊接接頭的平均抗拉強度為643 MPa，斷裂位置在距離焊縫中心約20 mm處的母材上（見表4），表明焊縫的強度高于母材的強度。

表4 X80熱絲TIG焊接頭力學性能

沖擊試驗采用夏比V型缺口進行，分別在母材、焊接熱影響區(qū)和焊縫中心部位取樣并采用線切割加工成標準試樣（V型缺口要沿板厚方向加工），每個部位截取3個試樣，求平均值，測試結果如表4所示。由表4可知，在-30℃試驗溫度下，母材區(qū)的沖擊功平均為187 J，焊縫區(qū)沖擊功為139 J，熱影響區(qū)的沖擊吸收功最低，均滿足使用要求。

焊縫區(qū)和熱影響區(qū)在-30℃沖擊斷口掃描圖片如圖4所示?？梢钥闯?，兩者的沖擊吸收功差別不大，但斷口形貌有很大的區(qū)別。焊縫區(qū)斷口（圖4a）除有較多的小韌窩外，還發(fā)現(xiàn)較多的河流花狀，屬準解理斷裂。與焊縫區(qū)相比，熱影響區(qū)斷口（圖4b）幾乎沒有發(fā)現(xiàn)小韌窩，主要以撕裂棱為主，屬典型的脆性斷裂，說明在斷裂過程中，裂紋形成功所占的比例較大，在裂紋形成時消耗的彈、塑性變形能量較多，裂紋一旦形成很容易擴展斷裂[8]。而焊縫區(qū)主是要由相互交錯的針狀鐵素體組成，裂紋擴展功所占比例較大，裂紋形成不易脆斷。故在焊縫區(qū)斷口形貌可以觀察到較多的韌窩斷口特征。

2.3 焊接接頭硬度

焊接接頭維氏硬度測試點位置距離焊縫上表面約2 mm，加載量1 kg，加載時間10 s，X80熱絲TIG焊接接頭沿焊縫中心距離的顯微硬度分布曲線如圖5所示。

圖4 接頭沖擊斷口SEM形貌

由圖5可知，焊縫區(qū)（WZ）平均硬度略高于母材（BM）。熱影響區(qū)（HAZ）硬度低于WZ，離焊縫中心越遠，硬度越低，最低硬度值約為200 HV。HAZ出現(xiàn)了明顯的局部硬化和軟化現(xiàn)象，硬化區(qū)主要出現(xiàn)在粗晶區(qū)和熔合區(qū)，硬度值高于母材；而軟化區(qū)主要出現(xiàn)在母材鄰近細晶區(qū)，其硬度值明顯低于母材。與埋弧焊和熔化極氣保焊相比，熱絲TIG焊時熱輸入較小，故HAZ寬度并不大，約為1.5 mm。HAZ出現(xiàn)硬化的主要原因有兩個：一是粗晶區(qū)以粒狀貝氏體為主，粒狀貝氏體具有較高的位錯密度，使硬度升高；二是粗晶區(qū)存在脆性的M-A組元。在細晶區(qū)主要以塑性較好的多邊形鐵素體為主，這是導致出現(xiàn)軟化的主要原因。

3 結論

（1）X80管線鋼熱絲TIG焊焊縫區(qū)組織以相互交錯的針狀鐵素體為主；HAZ粗晶區(qū)是由貝氏體鐵素體+粒狀貝氏體組成的混合組織，還產生了較多且粗大M-A組元；HAZ細晶區(qū)主要是均勻細小的多邊形鐵素體組織。

圖5 X80鋼熱絲TIG焊接頭顯微硬度變化曲線

（2）焊接接頭平均抗拉強度為643 MPa，與母材組織達到了等強匹配；焊縫區(qū)沖擊功（-30℃）平均值為139 J，高于HAZ，HAZ韌性最差，焊縫區(qū)主要是韌脆混合斷裂為主，而HAZ主要以脆性斷裂為主。

（3）焊縫區(qū)的硬度較高，焊接接頭HAZ存在硬化和軟化現(xiàn)象，粗晶區(qū)的硬化主要與析出的M-A組元有關，而細晶區(qū)的軟化主要是塑性較好的多邊形鐵素體造成的。

[1]繆成亮，尚成嘉，王學敏，等.高Nb X80管線鋼焊接熱影響區(qū)顯微組織與韌性[J].金屬學報，2010（5）：541-546.

[2]Jia Y Z，Wang J Q，Han E H，et al.Stress corrosion cracking of X80 pipeline steel in near-neutral pH environment under constant load testswithandwithout preload[J].Journal ofMaterialsScience&Technology，2011，27（11）：1039-1046．

[3]趙偉，鄒勇，夏佃秀，等.X80管線鋼焊條電弧焊接頭組織與耐蝕性分析[J].焊接學報，2016，37（10）：51-54.

[4]趙福海，華學明，葉欣，等.熱絲TIG焊方法最新研究進展[J].熱加工工藝，2011，40（3）：151-155.

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[8]李龍慶，李大東，王艷.X80管線鋼螺旋埋弧焊接頭組織和沖擊性能分析[J].熱加工工藝，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

國家自然科學基金面上項目（51674056）；重慶市前沿與應用基礎研究項目（cstc2015jcyjA50017）；重慶市教委項目(KJ1713344）；材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放課題（2016CL15）；重慶科技學院科研啟動基金（CK2016Z08）；重慶市高校創(chuàng)新團隊建設計劃資助項目（CXTDX201601032）

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

本文參考文獻引用格式：姚宗湘，李東，王剛，等. X80 管線鋼熱絲TIG焊接接頭顯微組織和力學性能[J].電焊機，2017，47（08）：15-18.