钢管环焊缝连续冷却转变曲线研究

　　杨叠 杨柳青 隋永莉 白世武 刘清友
　　摘要： 针对两种不同合金体系的X80钢管自保护药芯焊丝环焊缝，采用热模拟技术，以不同的冷却速度冷却到室温，获得了两种X80钢管环焊缝的CCT曲线，通过光学显微镜对不同冷速下的微观组织进行了分析，并测试其冲击韧性。结果表明，当冷却速度较小时（t8/5=20～50 s）时，组织以准多边形铁素体和粗大的粒状贝氏体为主，冲击韧性较差；当冷却速度较大时（t8/5=7～15 s）时，组织为粒状贝氏体、贝氏体铁素体和M-A组元，韧性较好；进一步增加冷却速度（t8/5=2～5 s），出现韧性较差的硬脆型板条马氏体组织。对比两种X80钢管环焊缝的CCT曲线，合金含量较低的X80钢管对环焊缝连续冷却过程中形成韧性较好的组织有益。
　　关键词： X80钢管；连续冷却转变；微观组织；韧性
　　中图分类号： TG402
　　Research on CCT curves of X80 pipeline girth weld
　　Yang Die1， Yang Liuqing1， Sui Yongli1， Bai Shiwu1， Liu Qingyou2
　　（1.China Petroleum Pipeline Research Institute， Langfang 065000， Hebei， China；2.Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081， China）
　　Abstract： Two girth welds have been fabricated by semi-automatic welding process with different alloy X80 steels， and thermal simulation techniques were used in this work to study the continuous cooling transformation（CCT） behaviours of the two welds. Optical microscopy and Charpy-V-Notch（CVN） impact toughness testing were also used for detailed analysis. The results show that the microstructure are Quasi-Polygonal Ferrite（QF） and coarse Granular Bainite（GB） with lower toughness when the cooling rate is small（t8/5=20～50 s）. When the cooling rate is t8/5=7～15 s， the microstructure are GB， Bainitic Ferrite（BF） and M-A component， which have good toughness. With further increase of cooling rate（t8/5=2～ 5 s）， poor toughness appeared with hard brittle type Lath Martensite（LM）. Comparing two CCT curves of girth welds， X80 pipeline with lower alloy content is beneficial for the formation of better toughness microstructure during continuous cooling process.
　　Key words：X80 pipeline， continuous cooling transformation， microstructure， toughness
　　0 前言
　　隨着冶金工业的发展，高强韧性、大口径的管线钢逐渐被应用到油气长输管道的建设中，不仅降低了建设成本，也提高了输送效率。但随着更多高等级钢管地应用，相应的环焊缝焊接技术发展却相对滞后，现场焊接的问题日益凸显，高钢级管线钢管的环焊技术成为亟待解决的问题。
　　自保护药芯焊丝半自动焊接（FCAW-S）工艺是目前管道现场环焊缝焊接使用较为广泛的一种焊接方法，其具有比手工焊条电弧焊更高的熔敷效率，对施工方装备要求较低，操作人员容易掌握等诸多优点。但近来的研究表明焊缝金属冲击韧性离散是自保护药芯焊丝半自动焊应用中的一大问题[1-3]。众所周知，组织决定性能，焊缝的最终组织将影响焊缝的冲击韧性，而焊缝金属与轧制状态的钢管组织不同，是电弧加热、熔化、凝固形成的铸态组织，因此有必要对焊缝金属连续冷却转变过程组织变化进行研究。
　　目前，针对X80管线钢及热影响区的连续冷却转变曲线（CCT）的研究较多[4-6]，而对环焊缝的CCT曲线（WM-CCT）研究较少。国际管道研究协会（PRCI）曾针对X100钢管采用熔化极气体保护焊（GMAW）的环焊缝进行了CCT曲线的研究[7]，研究表明冷却速度太快和太慢都不利于形成高韧性组织。从焊缝化学成分角度，合金含量较低的焊缝组织以贝氏体为主，而合金含量较高的焊缝以马氏体为主，对焊缝韧性有明显影响。文中采用由两种不同合金体系的X80钢管通过自保护药芯焊丝半自动焊焊接得到的环焊缝，利用热模拟技术，以不同的t8/5时间进行冷却，获得两种环焊缝的CCT曲线，并研究了其微观组织、硬度及冲击韧性的变化规律，以期对自保护药芯焊丝半自动焊连续冷却过程的组织进行预测和制定更合理的焊接工艺参数提供技术依据。
　　1 试验材料及方法
　　1.1 试验焊缝
　　试验采用两种不同合金体系X80管线钢，板厚为18.4 mm，其化学成分见表1，SG钢管主要有MnCrCuNb等合金元素，而QG主要有MnCrMoNbV，且含量都比SG钢管高。环焊缝填充盖面层采用的是AWS A5.29 E81T8-NiJ型X80级别自保护药芯焊丝，具有高Al、高Ni的特征。
　　焊缝的坡口设计如图1所示，为复合型坡口。焊接时，预热温度为80～100℃，层间温度控制在60～80℃。焊接道数在3～4道，最后一道填充厚度要大于7 mm，以便加工热模拟试件。焊接完成后，对最后一道填充层的焊缝中心截面进行研磨，采用直读光谱仪确定其化学成分。
　　1.2 热模拟试件的制备
　　对由两种不同合金体系X80管线钢得到焊缝进行机加工，加工前经过轻微腐蚀，以便显现出焊缝不同的道次。热模拟试件均在焊缝最后一道填充层加工，以保持原始组织的均匀性。为满足热模拟过程不同的冷却速度，加工试件分两种规格，其尺寸如图2所示。
　　1.3 热模拟试验
　　采用Gleeble-3500热模拟试验机对焊缝连续冷却转变曲线进行研究。初始预热温度为100 ℃，首先以130 ℃/s的速度加热到1 350 ℃，在峰值温度维持1 s，然后以不同的冷却时间t8/5=2 s， 3.5 s， 5 s， 7 s， 9 s， 12 s， 15 s， 20 s， 30 s， 50 s冷却到室温，获得温度与线膨胀量变化的关系（如图3所示），再利用切线法确定不同冷却时间下的相变起始温度和终了温度，最终获得焊缝的CCT曲线。
　　1.4 金相、微观硬度及冲击韧性测试
　　对热模拟试验得到的试件，从热电偶的焊点处截取金相件，进行镶嵌，分别在型号200#至1 200#砂纸打磨，然后抛光，经过4%硝酸酒精溶液腐蚀，清洁吹干后利用光学显微镜（Axio Imager M1m，ZEISS）进行微观组织观察，获取对应冷却速度下的显微组织照片。采用FM-ARS9000全自动硬度计对金相件进行微观硬度测量，每个试件测量3次取均值。
　　为确定不同微观组织的冲击韧性，从焊缝加工71 mm×10 mm×10 mm的试件，按前述热循环制度进行热模拟试验，而后加工成55 mm×10 mm×5 mm的1/2小尺寸试件在-10℃温度下进行夏比冲击韧性测试。选取的t8/5时间有5 s，9 s，12 s，15 s，20 s，30 s和50 s，每个时间做3个数据，并计算其平均值。采用扫描电镜对冲击断口形貌及组织进行分析。
　　2 试验结果
　　2.1 化学成分分析
　　焊缝中心的化学成分如表2所示，采用国际焊接协会推荐的碳当量公式[7]及日本焊接学会推荐的冷裂敏感系数公式[8]对焊缝的碳当量（CIIW）和冷裂敏感系数（Pcm）进行计算。可以看出，焊缝中心化学成分虽然主要由熔敷金属组成，但钢管合金元素也会不同程度地稀释。与SG钢管相比，在QG钢管中含量较高的Cr，Mo，Nb，V等元素，在焊缝中也较高，这些元素会对焊缝连续冷却转变过程中的组织产生影响。
　　2.2 焊缝连续冷却转变曲线
　　SG钢焊缝经过不同t8/5冷却时间后的微观组织如图4所示。限于篇幅，图中展示了组织变化较为明显的冷却时间。由图4a可知，当t8/5=2 s时，焊缝金属主要由板条马氏体（LM）和少量贝氏体铁素体（BF）组成。板条容易在原奥氏体晶界形核并长大，因此可以清楚地观察到部分原奥氏体晶界。随着冷却时间的上升，马氏体的比例下降，贝氏体铁素体和粒状贝氏体（GB）的含量逐渐增加，当t8/5=15 s时，主要由贝氏体铁素体和粒状贝氏体组成，晶粒尺寸也整体粗化。冷却时间t8/5=50 s时，贝氏体铁素体组织的含量变得很低，取而代之的是粗大的粒状贝氏体，晶界也会形成M-A组元。同時也有部分准多边形铁素体（QF）形成，可以断定，此时的微观硬度较高冷速时有了很大的下降。
　　图5给出了QG钢焊缝经过不同t8/5冷却时间后的微观组织照片，组织的变化趋势和SG钢焊缝基本一致，但随着冷却时间的上升，QG钢焊缝更早地出现了粒状贝氏体组织，这与QG焊缝中较多的合金元素导致奥氏体相变温度升高有关。当t8/5=50 s时，对比两种焊缝组织，QG钢焊缝的组织更粗大。
　　不同冷却时间下焊缝组织的微观硬度如图6所示。随冷却时间的增加，硬度呈降低的趋势。在t8/5<15 s时，硬度下降的幅度较大，而在t8/5>15 s后，硬度的减小趋势相对平缓。这主要是由组织类型的变化产生的差异，快冷条件产生的板条马氏体硬度较高，而随冷却时间增加产生的贝氏体组织硬度较低。对比两种焊缝，合金含量较高的QG钢焊缝的微观硬度较高。
　　根据图3中线膨胀曲线所得到的相变开始和终了温度，以及图4～6不同冷却时间下的焊缝微观
　　图6 焊缝微观硬度随t8/5冷却时间的变化组织，获得了两种X80钢管自保护药芯焊丝半自动焊焊缝的连续冷却转变曲线（WM-CCT）如图7所示。
　　上述WM-CCT曲线反映了X80管线钢管自保护药芯焊丝半自动焊环焊缝在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律。从图中可以看出，冷却过程中的组织主要为马氏体、贝氏体铁素体、粒状贝氏体及M-A组元。对比不同X80钢管环焊缝的CCT曲线，QG钢焊缝的相变开始温度较高，且贝氏体铁素体的稳定区较SG钢小。对比表2中焊缝中心的化学成分，可以看出，QG钢焊缝有较高的Mo，Nb，V含量，这些元素既为碳化物形成元素也是铁素体稳定元素，而由于其与碳的结合能力弱于Ti，因此在冷却过程会促进奥氏体相变，从而提高了相变温度，也就形成了更多的粒状贝氏体和准多边形铁素体组织。
　　2.3 焊缝夏比冲击韧性
　　通过WM-CCT曲线的绘制得到了焊缝不同冷却时间下得到的最终微观组织，进一步测试了组织的冲击性能，如图8所示。可看出，在t8/5=5～15 s的范围内，两种环焊缝的冲击吸收能量较高，当t8/5继续升高（即冷却速度下降），冲击吸收能量较低。通过和
　　WM-CCT曲线比对，t8/5=5～15 s范围内主要形成的是贝氏体铁素体组织，说明该组织具有较高的冲击韧性，而粒状贝氏体和准多边形铁素体组织的韧性较贝氏体铁素体低。对比两种不同合金体系X80钢管焊接得到的焊缝，在t8/5=5～12 s的范围内，SG钢焊缝的冲击吸收能量更高，并且稳定性更好，而QG钢焊缝在t8/5=12 s时出现了低值。
　　图9为SG钢焊缝在t8/5=9 s和t8/5=50 s冷却条件下冲击试件断口的形貌。可看出，9 s冲击试件断口主要为韧窝状，属于塑性断裂，因此冲击韧性值较高，而50 s冲击断口为解理台阶状断口，属于脆性断裂，冲击值低。
　　3 结论
　　文中研究了两种不同合金体系X80钢管自保护药芯焊丝半自动焊环焊缝不同冷却时间下的微观组织，获得了焊缝连续冷却转变曲线，得到的主要结论如下：
　　（1）连续冷却转变过程中的主要的组织类型有马氏体、贝氏体铁素体、粒状贝氏体及M-A组元。
　　（2）当冷却速度较小时（t8/5=20～50 s）时，组织以准多边形铁素体和粗大的粒状贝氏体为主，冲击韧性较差；当冷却速度较大时（t8/5=7～15 s）时，组织为粒状贝氏体、贝氏体铁素体和细小的M-A组元，韧性较好；进一步增加冷却速度（t8/5=2～5 s），出现韧性较差的硬脆型板条马氏体组织。
　　（3）对比两种X80钢管环焊缝的CCT曲线，由于钢管合金元素会在焊接过程稀释到焊缝，因此，适当增加扩大奥氏体区元素促进奥氏体在较低温度发生相变，对形成韧性较高的组织有益，从而保证焊缝冲击性能。
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