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1、焊接学报1999年12月December1999HANJIEXUEBAOX微合金化高强钢水下焊接粗晶区的韧性石永华王国荣李根全金时麟(广州华南理工大学)(宝鸡石油钢管厂)摘要对X60、X65和X70三种微合金化高强钢(石油、天然气输送管线用钢)水下不同条件焊接和空气中焊接粗晶区(CGHAZ)的组织、晶粒大小、硬度及韧性进行了研究。讨论了钢中沉淀物在焊接热循环中的行为及焊接线能量等因素对粗晶区韧性的影响。研究表明,微合金钢中Ti-V-Nb沉淀物在焊接热循环中的溶解将导致晶粒长大和韧性的降低,Ti微合金元素含量较高的X60和X70钢的粗
2、晶区韧性比低Ti的X65钢好。在本试验范围内,X60和X70钢水下焊接粗晶区的韧性低于空气中焊接,水下局部干法焊接粗晶区韧性比湿法焊接高。水下焊接由于水对焊接接头的冷却作用,导致粗晶区出现大量的板条马氏体。湿法焊接加大线能量或采取保温措施可改善韧性,水深增加,粗晶区韧性降低。关键词:微合金化粗晶热影响区(CGHAZ)水下焊接韧性0序言80年代以来,石油天然气长输管线的设计工作压力不断提高,管径增大,从经济性、安全性和可靠性的角度出发,韧性已成为和强度同等重要的一个指标。焊接钢管的性能主要决定于焊接接头,而粗晶热影响区(CGHAZ)是
3、整个接头的薄弱环节。一般认为,粗晶区韧性恶化主要是由于晶粒粗大和组织结构变化双重因素共同作用的结果。现代管线用钢采用Ti-V-Nb微合金化配以控轧控冷工艺生产,在钢中形成细小弥散分布的沉淀物,产生沉淀强化。更重要的是,弥散分布的细小沉淀物颗粒的存在,对晶界迁移有明显的阻碍作用,从而细化了晶粒,不仅提高了钢材的强度,还显著改善了韧性。经历焊接热循环后,粗晶区沉淀物可能发生溶解、聚集长大及再沉淀,无疑会影响沉淀物对晶界的钉扎作用,可能导致晶粒的异常长大,造成粗晶区韧性的恶化。因而,焊接热循环时粗晶区沉淀物的行为及其对韧性的影[1～3]响
4、引起了人们的关注,已有一些这方面的文章发表。水下焊接同空气中焊接相比,峰值温度较低,冷却速度更快,粗晶区沉淀物的行为必定有其特殊性,从而影响到粗晶区的韧性。在水下焊接的情况下,有关微合金钢粗晶区沉淀物和韧性研究方面的文章目前尚未见发表。本文结合三种管线钢X60、X65和X70水下焊接粗晶区的沉淀物在焊接热循环中的行为,对粗晶区冲击韧性进行了研究,并同空气中焊接进行了对比。1材料和试验过程本试验采用日本住友公司生产的X60钢板、美国NUCOR钢厂的X65钢板以及德国蒂森钢铁公司的X70钢板进行试验。这三种钢都是用于制造石油天然气输送管
5、道的管线专用钢。X60、X65、X70板厚分别为7mm、8.7mm、12.7mm,它们的化学成分列于表1。X广东省自然科学基金资助项目,编号940032。微合金化高强钢水下焊接粗晶区的韧性37表1试验用钢的化学成分(%)Table1Chemicalcompositionsofsteelsused(%)SteelCMnSiPSNbVTiMoCuNX600.091.180.230.0060.0010.0200.0100.0240.2410.1810.0073X650.071.280.280.0150.0070.0410.0440.008
6、0.0090.0880.005X700.141.350.250.030.0090.040.0650.028//0.0059[4]由于铌微合金化的轧制钢板具有明显的各向异性,其纵横向冲击韧性值之比为1.9～4.8。为使试验结果具有可比性,本试验中焊接方向均垂直于钢板的轧制方向,这样所取的冲击试样平行于轧制方向,测出的冲击值为粗晶区的纵向冲击韧性值。水下焊接在压力舱中进行,通过向舱内加压0.3MPa和0.6MPa来分别模拟30m、60m的水深;水下局部干法采用特制排水罩排开焊接区的水后进行焊接。水下保温焊接是在焊道两边(20mm以内)及
7、焊道背面贴上保温材料(橡胶)后在水下焊接。水下焊接用T203A水下焊条。除水下湿法大线能量焊接采用20kJ/cm的线能量外,其余均为12kJ/cm。在HVA—10A型小负荷显微维氏硬度计上沿熔合线测量粗晶区最高硬度。按国标GB2650—89进行焊接接头粗晶区的冲击试验,冲击试样尺寸为5mm×10mm×55mm(X60、X65钢),10mm×10mm×55mm(X70钢),V型缺口开在粗晶区。在光学显微镜上观察母材和粗晶区组织并拍摄照片,采用平均截距法测量母材和粗晶区晶粒[5]平均直径L。2试验结果2.1试验用钢母材及焊后粗晶区组织图
8、1、图2和图3分别为X60、X65和X70三种钢的母材及不同条件焊后粗晶区的组织。由图1～3可见,试验用钢母材的组织均为细小的珠光体和铁素体;水下湿法焊接后,粗晶区组织出现许多板条马氏体以及部分贝氏体;局部干法焊接后粗晶区组织中贝氏体
