經(jīng)濟型含Nb X70管線鋼 雙絲埋弧焊試驗研究

黃治軍 鄧照軍 崔雷 鄭紹鵬

摘要：采用550 MPa級及650 MPa級無Nb焊絲對含Nb經(jīng)濟型X70鋼進行了異絲雙絲埋弧焊。結果表明，焊接接頭力學性能滿足要求，焊接熱影響區(qū)沖擊韌性富裕量高且波動較小;異絲熔融混合較為充分，焊縫性能較為均勻。過熱區(qū)組織為粒狀貝氏體，鐵素體基體呈塊狀及板條狀。盡管X70鋼中Nb向焊縫過渡，但無論是焊態(tài)焊縫還是受熱焊縫，透射電鏡觀察的析出物尺寸為200 nm～1.5 μm，個別細小達80 nm，主要是Ti、Al、Mn或Si的氧化物，并不含Nb，這與X70鋼母材中的析出物有明顯不同。

關鍵詞：經(jīng)濟型;X70管線鋼;埋弧焊;力學性能;析出物

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2020）09-0262-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.30

0? ? 前言

X70是管線鋼的主力品種之一，市場同質(zhì)化競爭激烈，因此在保障性能的前提下降低成本直接關系到產(chǎn)品的競爭力，目前采用超快冷軋鋼技術降低合金含量來生產(chǎn)經(jīng)濟型鋼鐵產(chǎn)品逐漸成為一種趨勢。利用鈮及控軋控冷工藝的顯著作用，采用低碳高鈮的C-Mn-Cr-Nb合金系替代含鉬、鎳等昂貴合金元素的傳統(tǒng)C-Mn-Mo-Ni-Nb合金系， 通過固溶強化、相變強化、析出強化等機制來獲得高強度、良好的低溫韌性等[1-2]。相對于同樣強度級別的傳統(tǒng)鋼，經(jīng)濟型鋼種由于合金元素含量降低，組織發(fā)生變化，其焊接性能勢必受到影響，因此經(jīng)濟型鋼的焊接技術研究得到了業(yè)界的關注[3-4]。不過，由于經(jīng)濟型X70鋼合金化途徑較多、生產(chǎn)工藝各異，不同產(chǎn)家產(chǎn)品的焊接性能也會有所差別;另外，經(jīng)濟型X70鋼多采用Nb合金化，業(yè)界對鋼中的Nb行為研究較多，對焊接熱影響區(qū)Nb行為有少量報道[3，5]，而針對焊縫Nb的行為分析幾乎為空白。武鋼有限公司是管線鋼重要研發(fā)、生產(chǎn)基地，依托其超快冷生產(chǎn)線研制了經(jīng)濟型X70鋼[2]，埋弧焊是鋼管焊制的主要方法，因此文中結合上述關鍵問題對武鋼經(jīng)濟型X70鋼進行雙絲埋弧焊試驗，為其研制及應用一定的參考。

1 鋼板主要化學成分及性能

經(jīng)濟型X70鋼主要化學成分如表1所示。

2 雙絲埋弧焊試驗

含Nb鋼在焊接高峰值溫度下，其碳氮化鈮溶解增加， 固溶鈮通過對界面運動的溶質(zhì)拖曳效應阻礙鐵素體長大動力學，促進上貝氏體及粒狀貝氏體的形成，并加寬粗晶區(qū)，降低焊接粗晶區(qū)韌性。鈮的添加不利于大熱輸入條件下高強結構鋼的焊接性能，但在中小線能量條件下，對焊接韌性的不利影響并不明顯[3，5]。

2.1 焊接試驗條件

焊接坡口如圖1所示。采用機加工方式，尺寸16.9 mm×150 mm×500 mm，試板長度方向為軋向。焊接設備為Lincoln AC/DC1000雙絲埋弧焊機。

考慮到該鋼合金含量有所降低、雙絲埋弧焊熔合較高，決定將后絲強度級別提高，構成異絲雙絲埋弧焊。前絲Mn-Ni型，WQ-1，強度級別550 MPa，與X70鋼強度級別相當，焊絲接正極;后絲Mn-Ni-Cr-Mo型，WGX2，強度級別650 MPa，高于X70鋼，交流電源。兩種焊絲均為Ti、B微合金化，未加Nb，焊劑為CHF101Q。兩種焊絲各自的熔敷金屬力學性能均為優(yōu)良。

埋弧焊制管一般為單側焊縫一次成形，根據(jù)焊縫一次成形線能量計算公式[6]、適當參考現(xiàn)場條件制定焊接工藝參數(shù)如表2所示，其線能量不高于37 kJ/cm，不會造成焊接熱影響區(qū)韌性惡化。匹配CHF101Q焊劑焊接，焊縫成形良好，橫截面如圖2所示，正反面焊縫重疊量、焊縫余高合適。

2.2 焊接接頭力學性能試驗

按相關標準進行焊接接頭拉伸、彎曲及沖擊試驗，結果如表3所示，焊接接頭強度、彎曲性能及沖擊功均滿足要求。在設計溫度為-10 ℃時，焊縫平均沖擊功達150 J、熱影響區(qū)達275 J，遠高于60 J的基本要求，焊接接頭沖擊韌性富裕量較高且波動較小。即使在-40 ℃條件下，焊接熱影響區(qū)沖擊功仍達到234 J，說明該經(jīng)濟型X70鋼具有優(yōu)良的焊接性能。

按點距0.5 mm檢測了焊接接頭硬度，其中1/2厚度線硬度分布如圖3所示。可以看出，焊縫與母材達到等強匹配，焊接熱影響區(qū)略有軟化。同時可以看出，雖然雙絲埋弧焊以不同焊絲為前絲后絲，但是由于雙絲同熔池，熔融金屬混合較為充分，焊縫硬度分布比較均勻。因焊縫表面冷卻速度高于試板內(nèi)部，近表面線上的硬度略高于1/2厚度線上的，焊接熱影響區(qū)硬度變化表現(xiàn)出相似的趨勢，正火區(qū)的硬度最低。

2.3 焊接接頭顯微分析

2.3.1 金相組織

焊縫及熱影響區(qū)金相組織如圖4所示，可以看出焊接接頭組織的不均勻性。焊接接頭各區(qū)主要金相組織為：母材為針狀鐵素體+貝氏體;正火區(qū)為準多邊形鐵素體、針狀鐵素體+少量珠光體，相比母材有一定長大;過熱區(qū)為粒狀貝氏體，其鐵素體基體呈塊狀及板條狀，原奧氏體晶界不明顯。焊縫為晶內(nèi)細針狀鐵素體+少量先共析鐵素體，其針狀鐵素體尺寸大于母材。焊接熱影響區(qū)組織保證了其優(yōu)良的韌性。

2.3.2 母材及焊接熱影響區(qū)析出物

超快冷鋼一般要加入較多Nb及微量Ti、V。Nb在奧氏體中以三種形態(tài)存在，一是加熱尚未溶解的Nb（C，N），二是固溶于奧氏體中的，第三種是加熱時溶解，軋制時在奧氏體中新析出的Nb（C，N）。當鋼中含Nb量、軋制工藝等條件不同時，固溶Nb與析出Nb的比例會發(fā)生變化[7]。早期TMCP微合金化X70鋼含有較高Ni、Cu、Mo等合金元素，在控軋控冷過程中， 微合金元素以不同碳、氮含量的M（CxNy）形式析出，析出物尺寸為70～90 nm[8]。隨著超快冷技術的發(fā)展，對Nb析出相的研究和利用逐漸深入，充分利用Nb的納米析出相強化，降低Ni、Cu、Mo等合金元素含量，開發(fā)經(jīng)濟型X70鋼，鋼中粒徑為80～100 nm的第二相粒子數(shù)量較多，分布均勻，另有少量粒徑在30 nm以下的第二相粒子。粒徑為80～100 nm的第二相粒子為鈮、鈦復合的碳、氮化物，粒徑在30 nm以下的粒子為NbC[1]，如圖5所示。這些微小的析出相能有效阻止奧氏體晶粒長大和抑制奧氏體再結晶，使變形奧氏體中存在高密度的位錯和變形帶，提高母材強度。在焊接時，熱影響區(qū)尤其是粗晶區(qū)中的析出相/粒子有的溶解，有的則不同程度地長大。文獻[9]利用焊接熱模擬方法及析出相形貌觀察，研究了不同Ti、N含量的高 Nb 管線鋼焊接粗晶區(qū)的奧氏體晶粒尺寸及其分布規(guī)律、析出相對奧氏體晶粒尺寸及沖擊韌性的影響。焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)（CGHAZ）析出相主要為TixNb1-x（CyN1-y）復合粒子，其尺寸多在 100 nm 以下，如圖6所示。這些納米級別的粒子有效釘扎奧氏體晶粒尺寸，提高焊接熱影響區(qū)韌性。

2.3.2 焊縫金屬中的析出物

由于埋弧焊的熔合比較高，焊縫金屬中母材約占60%，這樣焊縫中Nb+Ti+V總量將達到0.06%左右，為焊縫中形成微細析出物提供了條件。但是，由于焊縫只是一種鑄態(tài)金屬，與經(jīng)控軋控冷的母材相比，焊縫中微合金化元素的析出缺少了一個重要的有利條件，因此焊縫中的析出物有自身特點。用電解雙噴法制備焊縫金屬透射電鏡薄膜樣品，采用JEM-2100F型透射電鏡觀察試樣中的組織及析出相。典型析出物如圖7所示，4個析出物尺寸為100～800 nm，主要是Ti、Al、Mn的氧化物，不含Nb。

前道焊縫在后道焊縫的加熱作用下產(chǎn)生焊縫熱影響區(qū)或再熱焊縫，對析出行為也會產(chǎn)生影響，因此對這個區(qū)域也進行了分析。析出物尺寸為200 nm～1.5 μm，個別細小達80 nm，主要為Ti、Al、Mn、Si的氧化物。典型析出物如圖8所示。比較圖7和圖8可知，再熱焊縫析出物尺寸略大于焊態(tài)焊縫，但無明顯區(qū)別。

可見，對于試驗的鑄態(tài)焊縫來說，其Nb含量低于母材，且未經(jīng)歷像母材那樣易于析出相形成的軋制工藝，難以觀察到如母材那樣的含Nb析出物。如此說來，由母材熔入焊縫中的Nb將主要以固溶形式存在，對焊縫有一定的強化作用;至于是否存在幾納米甚至更小的含Nb析出相有待進一步研究。那么，促進焊縫中針狀鐵素體形成的形核質(zhì)點仍然以微米及微納米級Ti、Al、Mn、Si的氧化物為主。這與母材及焊接粗晶區(qū)有明顯不同。

3 結論

通過對武鋼經(jīng)濟型X70鋼進行雙絲埋弧焊試驗研究，得到如下結論：

（1）焊接接頭強度、彎曲性能及沖擊功均滿足要求，沖擊韌性富裕量較高且波動較小。過熱區(qū)組織為粒狀貝氏體，鐵素體基體呈塊狀及板條狀。該經(jīng)濟型X70鋼具有優(yōu)良的焊接性能。

（2）雙絲埋弧焊前絲強度級別為550 MPa級，后絲為650 MPa級，整體上級別略高的焊絲匹配可以彌補母材成分的稀釋，得到等強匹配焊縫。并且由于雙絲同熔池，不同成分焊絲熔融混合較為充分，焊縫性能仍較為均勻。

（3）在焊絲不加Nb的情況下，盡管X70鋼中的Nb向焊縫過渡，但無論是焊態(tài)焊縫還是受熱焊縫，電鏡觀察析出物尺寸為200 nm～1.5 μm，個別細小達80 nm，主要是Ti、Al、Mn、或Si的氧化物，不含Nb。這與X70鋼母材中的析出物有明顯不同。

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Dual-wire SAW experiment on economic Nb-bearing X70 steel

HUANG Zhijun， DENG Zhaojun， CUI Lei， ZHEN Shaopeng

（Research Institue of Baosteel （Wuhan）， Wuhan 430080， China）

Abstract： No-Nb wires of 550 MPa and 650 MPa grades were employed to carry out dual submerged arc welding test on economic Nb-bearing? X70 steel.? The mechanical properties of the welded joint met the technical requirements， and the HAZ had? toughness with large margin and little? fluctuation; the properties are uniform indicating a good mixture of the two wires in melting pool.? The microstructure of GCHAZ is granular bainite with granular ferrite and plate ferrite. In spite of the Nb dilution from X70 parent metal to weld metal， the precipitates in welds of either as welded or reheated are still? mainly oxides of? Ti， Al， Mn and Si， but without Nb， sizing from 200 nm to 1.5 μm， and? singly 80 nm by TEM observation， which is much different with that in X70 steel.

Keywords： economic; X70 steel; SAW; mechanical properties; precipitate