焊材匹配对低温弯管焊缝组织和低温冲击韧性的影响*

包志刚， 马佼佼， 李 超， 田小江， 张 君， 赵西岐

（1. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡721008；2. 宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院， 陕西 宝鸡721008）

0 前 言

近年来， 随着世界各国石油和天然气需求量的急剧增加， 管道工业也逐渐向边远地区、寒冷地带和海洋发展[1-4]， 从而极大促进了低温钢管及管件的开发。 在低温弯管及管件的开发中， 弯管采用热煨弯管工艺进行生产， 但是在热煨过程中焊缝金属韧性降低的问题已成为制约热煨弯管发展的瓶颈[5-9]。 本研究通过采用3种焊材匹配， 获得不同Mn、 Ni 含量的焊缝，并采用热模拟手段， 研究了热煨加热温度对弯管焊缝组织和性能的影响， 从而对实际弯管的生产提供一定的参考。

1 试验材料及方法

1.1 焊接材料及工艺

为了获得不同成分的焊缝， 选用HZS1+HZJ1、 HZS1+HZJ2、 BSGS1+BSGJ1 三种焊材匹配， 采用串列四丝埋弧焊完成壁厚33.5 mm 低温弯管的焊接， 不同焊材匹配下焊缝的化学成分见表1。 由表1 可以看出， 不同焊缝的化学成分差异主要为Mn 和Ni 的含量， 与HZS1+HZJ1 焊材匹配相比， HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝w（Mn）由1.67%增加到1.76%， 而BSGS1+BSGJ1 焊材所匹配的焊缝w（Mn）和w（Ni）则分别增加到1.91%和0.91%。

表1 不同焊材匹配下焊缝的化学成分

1.2 热模拟试验

实际热煨弯管生产采用中频感应加热， 感应圈宽度为70 mm， 推进速度为35 mm/min，弯管实际加热及保温时间为120 s。 根据实际弯管的生产工艺及已有的模拟经验[10-12]， 设计了厚壁弯管热模拟试验工艺， 如图1 所示。 为研究加热温度对焊缝组织和性能的影响， 试验采用的加热温度分别为900 ℃、 925 ℃、 950 ℃、975 ℃和1 000 ℃。 弯管经热煨后还需回火，根据实际弯管生产回火工艺， 回火温度540 ℃，保温60 min。

图1 厚壁弯管热模拟试验工艺

1.3 低温冲击试验和焊缝组织分析

沿焊缝横向截取试样进行低温冲击试验，低温冲击试验温度为-45 ℃。 采用DMI5000M型显微镜对焊缝焊态及模拟后不同温度的组织进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝组织分析

HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌如图2 所示。 由图2 可以看出， 焊缝焊态组织为针状铁素体 （AF） +少量多边形铁素体 （PF）； 当加热温度为900～950 ℃时， 焊缝组织为多边形铁素体 （PF） +针状铁素体 （AF）， 且加热温度为925 ℃时针状铁素体含量较高； 随着加热温度的升高， 针状铁素体板条粗大， 多边形铁素体也越来越粗大， 当加热温度为975 ℃时， 针状铁素体板条基本消失； 当加热到1 000 ℃时， 多边形铁素体进一步长大， 大量粗大碳化物沿多边形铁素体晶界析出， 少量碳化物弥散分布在铁素体基体上。

图2 HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌

HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌如图3 所示。 由图3 可以看出， 焊缝焊态组织为针状铁素体+先共析铁素体， 随着加热温度的升高， 针状铁素体变得粗大， 且含量减少。

BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌如图4 所示。 由图4 可以看出， 焊缝焊态组织为针状铁素体 （AF） +少量多边形铁素体 （PF）， 当加热温度为900～925 ℃时， 焊缝金相组织为多边形铁素体（PF） +针状铁素体 （AF）， 且组织较细小； 随着加热温度的继续升高， 针状铁素体逐渐减少， 多边形铁素体越来越粗大； 当加热温度升高至975 ℃时， 针状铁素体板条基本消失； 当加热到1 000 ℃时， 焊缝组织为粗大的粒状贝氏体。

图3 HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌

图4 BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊缝在不同加热温度下的金相组织形貌

2.2 冲击性能分析

3 种焊材匹配下焊缝冲击功随加热温度的变化情况如图5 所示。 由图5 可看出， 在焊态下，3 种焊材匹配的焊缝夏比V 形冲击功较高， 均在180 J 以上， 热处理后降幅较大， 且冲击较离散，尤其是HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材的匹配；HZS1+HZJ1 焊材匹配的焊缝经过热处理后冲击功大幅降低， HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝热处理后冲击功下降相对较慢， 但每组都出现极低值， 离散度较大； BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊缝冲击性能表现较好， 在加热温度为900 ℃和925 ℃时， 保持了较高的冲击功， 虽然离散， 但是最低值为66 J， 当加热温度超过925 ℃时， 冲击功下降较快。

图5 不同焊材匹配下焊缝冲击功随加热温度的变化情况

3 分析讨论

微合金钢焊缝组织主要有先共析铁素体（PF）、 侧板条铁素体 （SF）、 针状铁素体 （AF）以及少量的粒状贝氏体 （GF）、 珠光体 （P）、M-A 组元和马氏体（M）[13]。 AF 强度高， 抗裂性能和韧性好， 在微合金钢的焊缝组织中期望得到更多的AF， 同时减少PF 和SF 的析出。 本研究3 种焊材匹配的焊缝在焊态下组织为针状铁素体（AF） +少量多边形铁素体（PF）， 具有较好的冲击韧性。

HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝， 化学成分基本相同， 只有w（Mn） 有所差异。HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝中含有较多的Mn元素， 提高了焊缝的淬透性， 组织中保留了较多低温转变的针状铁素体， 热处理后表现出较好的冲击韧性。

BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊缝， 热处理后组织细小， 冲击韧性最好， 主要由于其含有较高Mn 和Ni。 Mn 和Ni 是两种常用细化组织的元素， 可以提高强度和韧性， 还可降低奥氏体向铁素体转变的温度。 另外， Ni 是非碳化物形成元素， 溶解于铁素体中可以提高铁素体的强度， 影响低温时铁素体位错中心的结构， 进而提高塑性变形能力。 当Mn 和Ni 同时存在时， 在高Mn 区加Ni 反而会导致韧性降低， 相对于Mn 元素， Ni含量提高焊缝韧性更好。

焊缝组织随着加热温度不同， 组织发生变化。当温度升高时， 合金元素发生扩散与再分配， 铁素体的生长将由Mn 等合金元素的扩散控制。 由于合金元素扩散速率比C 元素扩散速率低几个数量级， 会导致铁素体的生长速率急剧降低[14]， 裂纹易在多边形铁素体中扩展， 不利于焊缝韧性的提高[15]。

4 结 论

（1） 相比HZS1+HZJ1 和HZS1+HZJ2 焊材匹配的焊缝， BSGS1+BSGJ1 焊材匹配的焊缝含有较高的Mn 和Ni 元素， 有利于细化晶粒， 提高焊缝低温冲击韧性。

（2） 加热温度较低时， 微合金钢焊缝能够得到更多的AF 组织， 且组织更细小， 有利于韧性的提高， 加热温度宜在925 ℃以下。