分享：X80管线钢焊接工艺热模拟

摘 要:采用Gleeble3500型热模拟试验机对 X80管线钢进行模拟,制定出了 X80管线钢的模 拟焊接热影响区连续冷却转变(SHCCT)曲线,分析了显微组织和硬度随冷却速率的变化情况。结 果表明:X80管线钢的冷裂纹敏感性指数小于0.2%,具有低焊接裂纹敏感性,焊接工艺的预热温度 应控制在47℃以上,且应避免在较快的冷却速率下焊接。经过热模拟后对 X80管线钢冲击吸收 能量和SHCCT曲线的初步推断,X80管线钢焊接时较合理的热输入为10~20kJ·cm-1。 

关键词:X80管线钢;热模拟;焊接工艺;裂纹敏感性;热输入 

中图分类号:TG115              文献标志码:A                    文章编号:1001-4012(2021)12-0052-03

随着管线钢钢材强度的提高,高钢级管线钢 焊接接头产生焊接冷裂纹的倾向也增大。因此制 定合理的焊接工艺,避免焊接冷裂纹的产生是焊 接生产的关键。以往焊接工艺参数的确定是以焊 接工艺评定试验来确定。在实际的工作中主要根 据掌握的材料焊接性能再结合工程特点与设计、 工艺要求及合格的焊接工艺制定出适合具体施工 要求的焊接工艺参数[1]。而模拟焊接试验则可以 节约大量的人力和物力,因此现在常采用模拟焊 接试验来研究材料的焊接性能,从而确定焊接工 艺参数。笔者采用 Gleeble3500型热模拟试验机 对 X80管线钢进行模拟,绘制出了 X80钢的模拟 焊接热影响区连续冷却转变(SHCCT)曲线,分析 了显微组织和硬度随冷却速率的变化情况。通过 分析典型热输入对 X80钢热影响区冲击韧性的影 响,结合组织和硬度随冷却速率的变化情况,以及 冷裂纹敏感性指数的计算,提出了 X80钢焊接时 较合理的热输入范围。

1 试验材料及试验方法 

试验材料选自某厂生产的 X80管线钢直缝埋弧焊管,生产工艺为热机械控制工艺(TMCP),其化 学成分见表1。钢管的力学性能优良,屈服强度为 601 MPa,抗拉强度为 677 MPa,断后 伸 长 率 为 25.5%,冲击吸收能量为329J。

热模拟试样在距离管体焊缝90°的管体横向位 置取样,试样取自1/4壁厚位置,分别加工出尺寸为 ?6mm×90mm和10.5mm×10.5mm×75mm的 两种 试 样,SHCCT 曲 线 的 绘 制 选 取 ?6 mm× 90mm试样,加热速率为130 ℃·s-1,加热的最高 温度为1300℃,保温时间为1s,然后以60℃·s-1 的冷却速率冷却至900℃,之后分别以0.2,0.5,1, 2,5,10,20,40℃·s-1的冷却速率冷却到室温。通 过热膨胀仪实时采集膨胀曲线,利用切线法确定相 转变温度点,并通过观察试样的显微组织和测试维 氏硬度结果,绘制出试样的SHCCT曲线。之后在 10.5mm×10.5mm×75mm的试样上分别进行热 输入为5,10,20,30kJ·cm-1的焊接热循环模拟,试 验采用 Rykalin2D 模型,加热速率为130℃·s-1, 峰值温度为1350℃,峰值保温时间1s,预热温度 150℃,然后将试样加工成带 V型缺口的10mm× 10mm×55mm冲击试样,之后进行-20 ℃的夏 比冲击试验[2]。

2 试验结果与讨论 

2.1 冷裂纹敏感性指数的计算 

首先计算 X80 钢的焊接冷裂纹敏感性指数 Pcm,在Pcm 指数的基础上计算出焊接冷裂纹敏感 性Pc,同时计算出不产生冷裂纹的预热温度T0,结 果如表2所示。 

根据表2可知,X80钢的Pcm 小于0.2%,具有 低焊接裂纹敏感性。在焊接过程中,应尽量采用能 够形成低氢或超低氢型焊缝的焊接材料,同时采取 适当的焊接工艺方法,预热温度控制在47℃以上, 避免焊接冷裂纹的产生。 

2.2 SHCCT曲线 

利用膨胀仪和热模拟试验机测得在不同冷却速率下的膨胀曲线,通过切线法计算各膨胀曲线的相 变开始点和相变结束点,然后利用杠杆法计算各冷 却速率下各相的体积分数,测试各冷却速率下的维 氏硬度,以时间的对数为横坐标,温度为纵坐标绘制 SHCCT曲线,如图1所示。

X80钢试样在不同冷却速率下的显微组织形貌 如图2所示。当冷却速率为0.2℃·s-1时,试样的 显微组织为铁素铁+珠光体,当冷却速率增加到 0.5℃·s-1时,贝氏体开始析出,随着冷却速率的增 加,铁素体和珠光体的含量逐渐减少,贝氏体的含量 逐渐增加,当冷却速率达到5℃·s-1时,完全转变为 贝氏体组织。贝氏体主要以板条贝氏体为主,随着 冷却速率的增加晶界内的铁素体基体板条变细,马/ 奥岛(M/A)组织呈连续或半连续的形态分布在基 体上,数量逐渐增多,同时组织取向也变得越加明 显。当冷却速率达到20℃·s-1时,马氏体组织开始 析出,显微组织为粒状贝氏体+板条马氏体,随着温 度的降低,贝氏体的含量逐渐减少,马氏体的含量逐 渐增加。马氏体的组织硬而脆,因此,应避免在较快 的冷却速率下进行焊接[4]。

随着冷却速率的增加,硬度呈现出上升趋势。 当冷却速率小于1℃·s-1时,显微组织中含有大量 的块状或多边形铁素体,并有少量的贝氏体,因而硬 度较低,硬度为180~200HV10。当冷却速率大于 1℃·s-1时,随着冷却速率的增加,贝氏体含量增加,贝氏体的形态由板条贝氏体向粒状贝氏体转变, M/A岛的数量逐渐增多,分布更加均匀,导致显微 硬度上升,硬度为200~230HV10。当冷却速率大 于10℃·s-1时,组织中开始析出淬硬性马氏体组 织,随着冷却速率的再增加,马氏体组织的含量逐渐 增加,硬度也逐渐上升,硬度大于230HV10,主要 原因是马氏体组织内的板条贝氏体位错密度较高, 晶粒内部组织细小[5-6]。

2.3 不同热输入热影响区的冲击性能 

在热模拟试验机上采用 Rykalin2D模型分别 进行了热输入为5,10,20,30kJ·cm-1的焊接热循 环试验,模拟X80钢在不同焊接热输入下焊接热影 响区粗晶区的冲击性能,如表3所示。

由表3可知,当热输入为10~20kJ·cm-1时, 粗晶区的冲击性能较好,此时的冷却速率为5~ 21℃·s-1,SHCCT 曲 线 对 应 冷 却 速 率 为 5~20℃·s-1的冷却曲线,组织以粒状贝氏体为主。 当热输入为5kJ·cm-1时,冲击吸收能量为139J, 此时的冷却速率为85℃·s-1,显微组织应为马氏体组织,当 热 输 入 为 30kJ·cm-1 时,冷 却 速 率 为 2℃·s-1,SHCCT曲线对应冷却速率为2℃·s-1的 冷却曲线,此时的显微组织为铁素体+板条贝氏体。 通过上述试验结果,可以初步判断出适合 X80钢的 最佳焊接热输入为10~20kJ·cm-1[6]。

3 结论 

(1)X80 钢的冷裂纹敏感性指数 Pcm 小于 0.2%,具有低焊接裂纹敏感性,焊接工艺的预热温 度控制在47℃以上。

(2)由SHCCT曲线可知,试样的硬度随着冷 却速率的增加而增加,当进入马氏体相区时增加更 为显著,因此应避免在较快的冷却速率下进行焊接。 

(3)根据热模拟后试样的冲击吸收能量和对应 的SHCCT曲线,初步判断出 X80钢适合的焊接热 输入为10~20kJ·cm-1。 

参考文献: 

[1] 于晨阳,池强,张伟卫.OD1422mm 的 X80级管线钢 SH-CCT曲线测定与分析[J].金属热处理,2020,45 (6):93-97. 

[2] 谯明亮,王同良,康双双.高强高韧 Q420qE桥梁钢 SHCCT曲线测试与焊接工艺制定[J].金属材料及热 处理,2018(1):52-55. 

[3] 贾坤宁,王海东,姜秋月.高强度桥梁钢焊接冷裂纹敏 感性研究[J].电焊机,2012,42(2):23-25. 

[4] 谭会杰,王海燕,李德超,等.X80管线钢连续冷却相 变及组织研究[J].金属热处理,2015,40(7):91-94. 

[5] CHENXW,QIAOGY,WANGX,etal.Studyon microstructureandmechanicalpropertiesofwelding coarsegrainheat-affectedzoneofhighNbX80steels [J].AdvancedScienceLetters,2012,13(1):780-783. 

[6] LIUL,XIAO H,LIQ,etal.Evaluationofthe fracturetoughnessofX70pipelinesteelwithferritebainite microstructure [J].Materials Science & EngineeringA,2017,688:388-395. 

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