焊接二次热循环峰值温度对X80级管线钢组织性能的影响

0 前 言
伴随着人类对海洋的开发 ,大量的海洋工程 施工对水下焊接技术提出了新的要求 ,因此 ,发展 水下焊接技术已刻不容缓 。高压干法焊接是当前 最主要的优质水下焊接技术 。其中钨极氩弧焊 ( GTAW )具有电弧稳定 、适于全位置焊接 、易于实 现自动化等特点 [ 1 ] ,国外已成功应用于海底管道 修复等水下钢结构焊接 ,是首选的高压干法水下 焊接技术 。
于板厚中部 ,沿板材横向取样 (沿板厚方向两侧
加工 ) ,即试样长度方向垂直于钢板轧向 。两种
壁厚 X80管线钢钢板的化学成分见表 1。
表 1 X80钢的化学成分
%
代号 w ( C) w ( Si) w (Mn) w ( P) w ( S) w (Nb) w (V ) X80 - 1 0. 065 0. 24 1. 85 0. 011 0. 002 8 0. 057 0. 005 X80 - 2 0. 06 0. 2 1. 43 0. 012 0. 004 0. 03 0. 005 代号 w ( Ti) w ( Cr) w (Mo) w (N i) w ( Cu) w (B ) X80 - 1 0. 024 0. 022 0. 34 0. 38 0. 01 0. 000 6 X80 - 2 0. 018 0. 02 0. 23 0. 17 0. 04
600
130
1 300 20
20
800
130
20
1 000
1 200
图 4 二次热循环热模拟曲线
图 5 两种 X80级管线钢在 不同二次峰值温度下夏比冲击试验结果
上述试验结果表明 ,两种 X80 钢中 , X80 - 1 在焊接二次热过程中有较高的韧性水平 。同时可 以发现 , X80 - 1和 X80 - 2 在焊接二次热循环下 的韧性分布具有相同的规律性 。当二次热循环峰 值温度在 α +γ两相区范围时 (800 ℃) ,钢材的韧 性最低 ,表现为临界粗晶区 ( IRCGHAZ) 局部脆 化。
将 母 材 ( BM ) 、焊 接 一 次 热 循 环 粗 晶 区 (CGHAZ ) 和 焊 接 二 次 热 循 环 临 界 粗 晶 区 ( IRCGHAZ)的韧性值进行对比 (图 6)可以发现 , 试验钢 X80 - 1 的 CGHAZ和 IRCGHAZ相对于 BM 的韧性损失分别为 14%和 26% ,试验钢 X80 - 2的韧性损失分别为 5%和 17%。 2. 2 焊接二次热循环后的组织
0 引 言
双面螺旋缝埋弧焊管线钢管所形成的焊接接 头如图 1所示 。
管道现场环缝电弧焊焊缝沿厚度方向是由多 层焊道组成的 ,所形成的焊接接头如图 2所示 。
图 1 双面螺旋埋弧焊接接头示意图
HAZ分为粗晶区 (CGHAZ) 、细晶区 ( FGHAZ) 、临 界区 ( ICHAZ)和亚临界区 ( SCHAZ) 。多道焊时 , 这些区域由于经历了多次热循环 ,导致显微组织 呈现出复杂性和不均匀性 。根据第二次焊接热循 环再热温度的不同 ,粗晶区又大致可分为 4 个区 域 :亚临界粗晶热影响区 ( SCGHAZ) ,即在 AC1以 下温度受到再次加热的区域 ;临界粗晶热影响区 ( IRCGHAZ) ,即 在 AC1 ～AC3受 到 再 次 加 热 的 区 域 ;过临界粗晶热影响区 ( SCCGHAZ) ,即在 AC3 ～ 1 200 ℃受到再次加热的区域 ;未变粗晶热影响区 (UACGHAZ) , 即 没 有 受 到 再 加 热 的 区 域 或 在 1 200 ℃以上受到再次加热的区域 。图 3 为多道 焊 HAZ的理想示意图 。
图 2 管道现场环缝电弧焊焊接接头示意图
多层焊接 是 由 许 多 单 层 焊 接 热 循 环 叠 加 而 成 。单道焊时 ,根据焊接热循环峰值温度的不同 ,
图 3 管线钢多道焊 HAZ示意图
3 国家自然科学基金项目 (50374056) ;中国石油天然气集团公司科技项目 (04A40401 /02F70127)
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Fra Baidu bibliotek
焊 管 2007年 5月
本文主要讨论 X80 级管线钢在多道焊二次 热循环过程中不同峰值温度下组织的变化对性能 的影响 。
1 试验材料及方法
本研究选用的试验材料为厚度 14. 6 mm 和
17. 3 mm 的两种 X80级管线钢钢板 。热模拟试样
为 10. 5 mm ×10. 5 mm ×55 mm 的板状样 ,试样位
2 试验结果及讨论
2. 1 焊接二次热循环后的性能
在焊接二次热循环过程中 ,两种 X80钢二次 热循环热模拟组织的夏比冲击试验 (试验温度为
- 20 ℃)结果见表 3。两种管线钢二次峰值温度
与韧性的关系如图 5所示 。
表 3 二次热循环的冲击试验结果
二次峰值 温度 / ℃
600 800 1 000 1 200
同时 ,由于在 α +γ两相区中 α相的形成过 程是一个向外排碳的过程 ,因而使得这时形成的 γ相比高温单相 γ区形成的 γ相含碳量更高 。富
图 8 IRCGHAZ中的 M - A组元 20 000 ×
表 4 X80 - 1钢中 M - A组元定量测定结果
粗晶区区域 体积分数 / % 平均弦长 /μm HV10
试验钢 X80 - 1粗晶热影响区 (CGHAZ)和临 界粗晶热影响区 ( IRCGHAZ)的光学金相显微组 织见图 7。
第 30卷第 3期 王传武等 :焊接二次热循环峰值温度对 X80级管线钢组织性能的影响
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图 6 两种 X80级管线钢不同状态下的韧性对比
图 7 试验钢 X80 - 1金相图
CGHA Z
13. 2
2. 2
291
IRCGHA Z
17. 1
3. 8
321
图 9 裂纹在 M - A组元中的形核和扩展
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●试验与研究
焊管 ·第 30卷第 3期 ·2007年 5月
高压环境下管道焊接技术研究
宋广贺 1 , 王中辉 2 , 蒋力培 2 , 焦向东 2 , 周灿丰 2 , 薛 龙 2 , 吕 涛 2
夏比冲击试验值 /J
X80 - 1
X80 - 2
328 ( 330, 307, 348)
207 ( 206, 221, 193)
241 ( 205, 240, 278)
157 ( 162, 129, 179)
308 (305, 310)
183 ( 188, 162, 198)
354 ( 353, 360, 348)
(1. 鞍钢附企综企冶金车辆厂 , 辽宁 鞍山 114041; 2. 北京石油化工学院 , 北京 102617)
摘 要 : 分析了高压环境下钨极氩弧焊 ( GTAW )的特点 。针对渤海湾海底管道修复 ,自行设 计了一套高压模拟试验装置 ,该装置主要包括高压焊接试验舱和焊接机器人 。进行了高压模 拟焊接试验 ,研究表明 ,随着环境压力的增加 ,焊接电流减小 ,氩气流量增大 。在 0. 1 M Pa, 0. 3 M Pa, 0. 5 M Pa和 0. 7 M Pa压力下 ,选用合理的焊接工艺参数 , X56级管线钢均获得了单面焊双 面成形的良好效果 。 关键词 : 高压环境 ; GTAW ; 全位置焊接 中图分类号 : TG457. 11 文献标志码 : A 文章编号 : 1001- 3938 (2007) 03 - 0018- 03
3 结 论
参考文献 :
(1)在两种壁厚的 X80钢中 , X80 - 1在焊接 二次热循环过程中有较高的韧性水平 。
(2)在双面焊和多道焊中 ,当焊接二次热循 环峰值温度处于 α +γ两相区时 ,所试验的 X80 钢表现为局部脆化 。
(3)由于在 IRCGHAZ中形成的 M - A 组元 相对 于 CGHAZ 含 量 高 , 尺 寸 大 , 硬 度 高 , 造 成 IRCGHAZ的韧性较低 ,从而引起局部脆化 。
由图 7看出 ,焊接一次热循环粗晶区 CGHAZ 在 α +γ两相区 (800 ℃)焊接二次热循环加热后 , IRCGHAZ组 织 形 态 发 生 了 较 大 的 变 化 。由 于 CGHAZ晶粒粗大 ,为 M - A 组元的形成提供了热 力学条件 ,因而 M - A 组元优先在原奥氏体晶界 形成 ,在组织形态上表现为因 M - A 组元而形成 的原奥氏体边界的“项链 ”结构 。
TEM 观察表明 ,在 IRCGHAZ中有更粗大的 M - A 组元 (图 8 ) 。M - A 组元的大小 (平均弦 长 )是引起 IRCGHAZ局部脆化的主要因素 。在 粒状贝氏体中的临界解理应力 σf3 可以认为是由 M - A 组元开裂形成的裂纹核从 M - A 中扩展到 基体中所需的力 。这个扩展条件可用一个长度等 于 M - A 组元的平均弦长 D 的 Griffith裂纹所承 受的平均应力 σf3 来表示 ,σf3 遵循 σf3 ∝ D - 的 1 /2 判据 。当 M - A 组元的平均弦长大于 2μm 时 ,可 构成 Griffith裂纹的临界尺寸 。用计点法对 M - A 组元 定 量 测 定 , 其 结 果 见 表 4。可 以 发 现 , 在 IRCGHAZ中 , M - A 组元的含量和平均弦长 比 CGHAZ中的都大 。
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为获取 X80 管线钢在多道焊中二次热循环
的 HAZ组织 ,采用的热模拟参数见表 2,其中选
用的 4 种二次热循环峰值温度相当于多道焊
HAZ中的不同区域 ,即 SCGHAZ ( 600 ℃) 、IRCG2
HAZ (800 ℃) 、SCCGHAZ (1 000 ℃)和 UACGHAZ
高压干法水下焊接属严酷条件下的焊接 ,由于 依靠高压气体将焊接区的水排开 ,其高压环境气体 对焊接过程有显著的影响 。目前国外常用的高压
气体是氩气或氮气 [2 ] ,考虑到所研究的海底管道维 修处于水深 60 m 左右的渤海湾海域 ,拟采用压缩 空气来降低水下焊接成本 。国外的高压干法水下 焊接工艺处于半研究半应用状态 ,没有现成的工艺 参数可供借鉴 ,为此 ,必须进行高压空气环境下管 线钢的全位置焊接技术研究 ,为渤海湾海底管道修 复提供一套完整的工艺参数 。本研究在前人研究 的基础上 ,自行设计了一套高压焊接模拟试验装 置 ,在此装置中进行了管道全位置焊接工艺试验 , 研究了环境压力对焊接参数的影响 ,在 0. 1 MPa, 0. 3MPa, 0. 5 MPa和 0. 7MPa压力下 ,均获得单面 焊双面成形的良好效果 。依据相关标准对焊接接 头进行检验 ,结果表明接头符合标准要求 。
(1 200 ℃) 。选取的 t8 /5是获取 CGHA Z性能最佳 的焊接冷却规范 。热模拟试验在 Gleeble - 1500D
型热模拟试验装置上进行 ,热模拟曲线见图 4。
表 2 二次热循环热模拟参数
一次热循环
二次热循环
加热速度 / 峰值温 t8 /5 / 层间温 加热速度 / 峰值温 t8 /5 / ( ℃/ s) 度 / ℃ s 度 / ℃ ( ℃/ s) 度 / ℃ s
焊管 ·第 30卷第 3期 ·2007年 5月
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●试验与研究
焊接二次热循环峰值温度
对 X80级管线钢组织性能的影响3
王传武 , 高惠临
(西安石油大学 , 西安 710065)
摘 要 : 采用模拟焊接热循环的方法 ,研究了二次热循环对 X80级管线钢焊接热影响区组织 和性能的影响 。结果表明 ,在双面焊和多道焊中 ,当焊接二次热循环峰值温度处于 α +γ两相 区时 ,所试验的 X80钢表现为局部脆化 。此时形成的 M - A 组元含量 、尺寸 、硬度的变化是引 起局部脆化的主要组织因素 。 关键词 : X80级管线钢 ; 热模拟 ; 二次热循环 ; 焊接 中图分类号 : TG402 文献标志码 : A 文章编号 : 1001- 3938 (2007) 03 - 0015- 03
碳的 γ相在随后的冷却过程中形成的 M - A 有更 高的含碳量和硬度 ,这就导致焊接二次热循环过 程中 IRCGHAZ韧性更低 。图 9 显示了裂纹在这 种 M - A 组元中形核和扩展的情形 。从图中可观 察到 ,裂纹形核后在正应力和切应力的作用下沿 剪切方向扩展 。裂纹在穿过 M - A 组元时并不改 变方向 ,表明 M - A 组元这一脆性质点对裂纹的 扩展没有阻碍作用 。