焊材对X70焊缝组织和性能的影响

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[摘 要]针对X70管线钢直缝埋弧焊管生产中出现焊缝冲击值不合格问题，分析焊材与母材有可能焊接不匹配，调查发现钢板的成分有较大变化，为了得到较好的焊缝性能，采取了两种焊丝进行了焊接试验，焊后通过分析焊缝显微组织和力学性能。结果显示，采用Si、Cr、Ti含量较高的焊丝焊接后取得的焊缝中先共析铁素体（PF）和针状铁素体（AF）晶粒更为细小，冲击值较高，韧性较好。

[关键词]焊材成分；先共析铁素体；针状铁素体；冲击韧性

中图分类号：TG421 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0051-01

0 前言

目前，随着钢管制造业国际国内形势的变化，各种微量合金元素的价格变化较大，出于对成本的控制，各钢厂在冶炼过程中，对微量合金元素的含量也有较大调整。因此，制管厂在焊材的选择上必须做出相应的变化，通过焊材里面对应合金元素的增强，来保证焊缝的力学性能达到要求。

2011年6月18日，我厂在生产某钢厂x70，板厚为12.7mm钢管时，出现了焊缝冲击值低于工艺要求的情况，但是针对此钢厂生产的同规格的钢材，我厂在2010年3月生产中，就未出现焊冲不合的现象，我们分析钢厂是否对原材料化学成分做了调整，比较了近两年来此钢厂生产的钢材的化学成分，分析得出，Cr、Ni、V、Mo、B的含量有较大变化，2011年钢厂主要通过增加Mo、Ni、B等元素，大大降低了Cr的含量，钢厂通过控制终扎温度，道次下压率等手段可以有效控制钢中各组织的比例，使得钢材的力学性能达到要求。针对2011年的钢板，我们选择两种合金元素不同的焊丝做了对比试验。

1 试验材料

试验用原料为国内某钢厂生产的X70管线钢板，板厚为12.7mm。选择了A，B两种焊丝进行了焊接，两种焊丝的化学成分见表1：

可以看到，焊丝化学成分差异主要为Si、P、Cr、Nb、V、Ti等元素。其中A焊丝的P、Nb、V、Al的含量较高，而B焊丝的Si、Cr、Ti含量较高。

采用A，B两种焊丝在相同焊接规范下焊接，得到了甲，乙两根钢管。焊缝化学成分见表2：

2 试验结果

内外焊采用三丝焊，相同的焊接工艺参数，同一牌号焊剂分别匹配A，B焊丝焊后钢管编号甲，B焊丝焊后钢管编号乙。甲乙两根钢管焊缝成型良好，过渡平滑，其宏观图片，如图1，其宏观尺寸见表3：

两根钢管焊缝的主要力学性能见表4：

从表中可以看出，钢管甲的冲击值达不到API-5L的要求（单值≥60J，三值平均≥80J）；而乙钢管，冲击值能满足要求。

图2为两种焊丝焊后得到的焊缝在500倍显微下的组织：

两种焊丝得到的焊缝组织区别在于：钢管甲乙组织都以针装铁素体为主，但是钢管乙的AF和PF的晶粒要比钢管甲的更为细小。

3 试验结果分析

在焊接工艺参数相同的条件下，由于选用的焊丝不同，е铝街趾阜斓淖橹及力学性能差异较大，A、B两种焊丝的区别主要在于Si、Cr、Nb、V、Ti、Al等元素含量不同。

1） 硅是缩小γ相区的元素，对Ms点几乎没有影响，但显著提高珠光体相变温度，在较高的温度下形成较粗大的碳化物。当焊缝中硅含量在0.2%―0.4%内，随硅含量的增加会促进AF的形成而使SF量较少。硅还可以改变AF板条的长宽比。锰、硅同时存在时，可以做为脱氧剂，对焊缝组织和性能都有重大影响[1]。

2）Cr元素在焊缝中也能抑制PF的析出。当w（Cr）为0―2.3%条件下，当w（Mn）为1.0%时，随着Cr含量增加，先共析铁素体连续减少，AF含量随着Cr含量增加而增加。但是当Cr达到2.3%时候，焊缝组织绝大部分为贝氏体[1]。

3）Nb铌在钢中能起细化晶粒和析出强化作用，还能使扩散氢很快逸出，有利于防止氢致裂纹。但是铌对低合金高强度钢焊缝金属的韧性可产生有害的影响，使Mn-Si系焊缝金属韧性下降。尤其是当针状铁素体少时，大大降低焊缝韧性，增加结晶裂纹的倾向。因此，一般不在低合金高强度钢的焊接材料中加入铌，焊缝中的铌主要是由母材过渡进入的，为防止焊缝金属中铌的有害作用，应尽量使晶粒细化和提高细针状铁素体的比例[4]。

4）V的影响，当焊接后不进行正火处理时，V与焊缝中的N化合的氮化物就会以微细共格沉淀相存在，导致焊缝强度大幅提高，致使焊缝韧性下降。一般只有焊后进行正火处理的焊缝V才能起到改善焊缝韧性的目的[4]。

5）焊缝中随着钛的加入，氧含量减少，Abson等人的研究表明，当焊缝与（O+S）含量的比值为1/15时，可获得最佳的AF含量，并得到焊缝中钛含量临界值为0.003%。焊缝金属中钛含量达到0.001%时，显微组织将从80%的侧板条铁素体变为60%的AF。钛含量小于0.003%时，随着钛含量的增加，AF数量增加。但当钛含量大于0.003%时，随着钛含量的增加，AF数量减少[1]。

6）铝是强氧化物形成元素，具有很强的脱氧和细化晶粒的作用。铝容易使AF在原奥氏体晶内合适的夹杂物上形核长大[1]。另外，焊缝中铝氧的含量不同，对冲击韧性有影响。研究发现，焊缝中[Al%]・[O%]2≈28时，焊缝可以获得最大AF[2]。

采用B焊丝焊接的乙钢管焊缝中，w（Mn）为1.58%，w（Si）为0.34%，都明显高于采用A焊丝焊接的甲钢管中的w（Mn）为1.49%，w（Si）为0.26%。较高的硅锰含量使得乙钢管的焊缝金属中含氧量较少，从而得到较大的奥氏体晶粒，而焊缝中丰富的锰能扩大γ相区的元素，使使奥氏体分解反应移向较低温度。同时，可以使共析反应在较低的碳浓度下进行，降低Ms点。所以在焊缝冷却过程中，较大的奥氏体分解成PF和细小的AF。

同时，Cr，Ti都能起到细化晶粒的作用。所以采用B焊丝焊接的乙钢管焊缝能得到细小的AF，获得较高的焊缝冲击韧性值

4 结论

钢板的成分有变化时，特别是降低了Cr，V等合金元素时，焊丝成分也必须有所变化。选用Si，Cr等合金元素含量较高的焊丝能获得以针状铁素体为主的细晶粒焊缝组织，取得良好的焊缝冲击韧性。

参考文献

[1] 张德勤，雷毅，刘志义，微合金钢焊缝金属中的针状铁素体[J]。中国石油大学学报，2003，27（4）：141-144.