HFW焊缝组织结构对强韧性的影响

焊管．第３４卷第１１期・２０１１年１１月　・　５　・　●试验与研究　ＨＦＷ焊缝组织结构对强韧性的影响　崔延　，聂向晖　，李云龙　，赵文轸　（１．西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，西安，７１００４９；　２．中国石油集团石油管工程技术研究院，西安，７１００６５）　摘　要：以Ｘ６０级ＨＦＷ焊管作为研究对象，分析了焊接区域的显微组织特点；通过测量焊　接区域结构参数与力学性能，提出焊接工艺应＂３保证焊缝熔合线宽度控制在０．－０５￣０．２　ｍｍ　内　在８２０℃．８７０℃和９８０　ｏＣ正火后，焊接区域组织粗大，冲击韧性偏低；９２０℃左右正火　后焊缝区域组织细化，力学性能大大提升，通过对比发现在９００～９３０　ｏＣ的温度区间下进行　正火可使ＨＦＷ焊管焊接区域的组织与力学性能均达到最好。　关键词：ＨＦＷ焊管；焊缝热影响区；金相组织；正火温度；冲击韧性　中图分类号：ＴＧ４０７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３９３８（２０１１）１１—０００５—０５　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＨＦＷ　Ｐｉｐｅ　Ｗｅｌｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｎ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ＣＵＩ　Ｙａｎ　．ＮＩＥ　Ｘｉａｎｇ－ｈｕｉ　一．ＬＩ　Ｙｕｎ－ｌｏｎｇ２，ＺＨＡＯ　Ｗｅｎ—ｚｈｅｎ　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒｔａｏｒｙｆｏｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｘｉ＇ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’锄７１００４９，Ｃｈｉｎａ　２．ＣＮＰＣ　Ｔｕｂｕｌａｒ　Ｇｏｏｄｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’帆７１００６５，　ｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｘ６０　ＨＦＷ　ｐｉｐｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｚｏｎｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈａｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄ　ｆｕｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　０．０５—０．２　ｍｍ．Ａｆｔｅｒ　ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ａｔ　８２０℃．８７０℃ａｎｄ　９８０℃．ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｚｏｎｅ　ｉｓ　ｃｏａｒｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｓ　ｌｏｗ；ａｆｔｅｒ　ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ａｔ　９２０　ｏＣ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｅｅｍｓ　ｆｉｎｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　９００～９３０　ｏＣ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｚｏＩｌｅ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＨＦＷ　ｐｉｐｅ；ｗｅｌｄ　ｈｅａｔ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｚｏｎｅ；ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　０前　言　ＨＦＷ焊管具有成本低，生产效率高，外型　美观等优点，作为石油开采中的套管及油管、石　油天然气输送管和配气管等被广泛使用。国内引　进ＨＦＷ焊管生产技术较早，但在消化吸收与创　专题研究，一方面可以清楚制约焊缝及热影响区　强韧性的因素，从理论上提出改善办法；另一方　面可以更加明确制管工艺与产品性能之间的关　系，既能在生产过程中更好实现质量控制，还能　在焊管的服役过程中实现风险规避和充分利用。　新等方面还有不足，生产过程中存在质量控制标　准不明确、焊缝强度与冲击韧性偏低、耐腐蚀性　１　试验材料　本试验选用的ＨＦＷ焊管为Ｘ６０钢级．直径　能不稳定等问题，致使其在国内长输管线上的使　用受到了限制。ＨＦＷ焊管的焊缝和热影响区是　５０８　ｍｍ，壁厚９．５　ｉｆｌｍ，其化学成分见表１，力学　表１　Ｘ６０级ＨＦＷ焊管的化学成分　％　整个焊管的薄弱环节和危险区域，其强韧性决定　了整个焊管的强韧性　（ｃ）　曩　（ｓｉ）　。够（Ｍ　）　鲫（ｐ）　ｏｌｏ８　ｏｌｉ８ｌ　ｌｌ，２ｏ　ｏ￣ｏｏ６　彬（ｓ）　０．００２　ｗ（Ｆｅ）　余量　通过对ＨＦＷ焊管焊缝及热影响区强韧性的　第３４卷第１ｌ期　崔　延等：ＨＦＷ焊缝组织结构对强韧性的影响　２．２焊接区域结构参数与力学性能之间的关系　对加工好的冲击试样和拉伸试样进行结构　ＨＦＷ焊管焊接区域的结构参数主要包括腰鼓　参数的测量，并与强韧性试验结果对照，结果　形、熔合线、金属流线和中心距，如图３所示＿２＿。　见表３。　们，　２，∞，口４一在距离内、外壁ｔ／４（ｔ壁厚）处　金属流线切线与水平线的夹角。　ｈ　，＾。，＾　一热影响区在几何中心线、管　（ａ）参数ａ１，。２，０３，０４示意　外、内壁处测量的宽度；　，　，厶一熔合线在几何中心线、管　外、内壁处测量的宽度：　（ｃ）参数ｈ　，ｈｏ，　，　，　，五示意　ｄ一金属流线偏离ｔ／２的距离。　（ｂ）参数ｄ示意　图３　ＨＦＷ焊管焊接区域结构参数示意图　表３　ｔｌＦＷ焊管焊接区域结构参数及强度、韧性　从表３可以看出，冲击韧性极差的试样为　当熔合线太宽时，表明焊接过程中加热时间太长　Ｌ０３，Ｌ０７和Ｌ０８。这几个试样的熔合线宽度太　（即焊接速度太慢）或焊接线热量太高，致使焊缝　窄或太宽，最窄０．０３　ｍｍ，最宽０．３９　ｍｍ。熔合　严重脱碳，组织粗大；另一方面，也会伴随氧化物　线过宽或过窄都会使得冲击韧性变低，同时也可　杂质的聚集。可能成为焊缝开裂的裂纹源，这对其　以看出，对于Ｌ０３和Ｌ０７这两个熔合线较窄的　性能极为不利。当熔合线较窄时（低于ｏ．０５　ｍｍ），　试样，它们的金属流线角度非常高。这是焊接中　表明焊接时挤压力过大或线能量不足，同时伴随　挤压力太大造成的。从表３可知抗拉强度比较低　着金属流线角很大。熔合线较窄时，线能量不足　的试样为Ｌ０３，Ｌ０５和Ｌ０８，其中Ｌ０３和Ｌ０８表　导致的低温焊接会使金属结合强度大受影响，脆　现出强度和韧性都较差的特点。对于Ｌ０８而言，　性显著增加，焊缝强度也比较低，这种情况应尽　熔合线宽度达到０．３９ｍｍ．为试样中最宽的。可　量避免。　能是焊接过程加热时间太长而致，这会导致氧化　目前，对熔合线宽窄度的控制。世界各国还　物夹杂聚集，成为裂纹源。　没有统一规定，一般为企业的内控标准。譬如，　熔合线过宽或过窄都会使得焊缝性能下降。　日本新日铁规定熔合线宽度为０．０２～０．２ｍｍ，日本　第３４卷第１１期　崔　延等：ＨＦＷ焊缝组织结构对强韧性的影响　・　９　・　８００　８２０　８４０　８６０　８８０　９００　９２０　９４０　９６０　９８０　１０００　正火温度／℃　图５抗拉强度与正火温度的关系　响区的冲击韧性大大改善，提升非常显著。因　此。对于ＨＦＷ焊缝及热影响区而言，焊接之后　的再次正火热处理对于改善其性能极为重要。　３００　２５０　２００　嘉ｌ５ｏ　１００　５Ｏ　０　（　）８２０＂Ｃ　８７０￣Ｃ　９２０￣Ｃ　９５０￣Ｃ　９８０￣Ｃ￣　热处理状态　图６热处理前后冲击功的变化对比　试样冲击功与正火温度的关系曲线如图７所　示。由图可见．正火温度对于焊缝的冲击韧性影　响非常大。在８２０～９２０　，韧性随正火温度升高　而呈上升趋势：超过９２０℃，冲击韧性随正火温度　升高而下降。当正火温度太低时，如８２０℃，焊接　区域组织并未得到改善，相应韧性也未得到提升；　当正火温度太高至９８０　ｑＣ时，铁素体晶粒严重粗　化，韧性显著降低。只有经过合适温度的正火处　理，焊缝韧性才会大幅提升。经过９００～９３０℃之　图７冲击韧性与正火温度的关系　间的正火后，焊缝会获得优良的冲击韧性。这与　显微组织的分析结果是一致的。　３　结　论　（１）焊缝熔合线处晶粒粗大，为交错的针状　铁素体；热影响区的晶粒尺寸从熔合线到母材方　向先增大后逐渐变小：母材的显微组织以等轴细　小的多边形铁素体为主，伴有少许珠光体。　（２）对于Ｘ６０级西５０８　ｍｉｎｘ９．５　ｌ３＇ｆｌｍ　ＨＦＷ焊　管焊缝而言，熔合线宽度（　）控制在０．０５　０．２　ｍｍ　之间较合适，内外壁熔合线宽度（　与ｆｏ）以　在０．２５～０．４　ｍｍ之间为佳，金属流线夹角在５０。　６５。之间为宜。　（３）热处理之前。焊缝熔合线与热影响区区　分明显，晶粒尺寸有较大差异：而在热处理之　后。焊缝熔合线与热影响区组织形貌趋于近似或　一致，金属流线消失。晶粒尺寸相近。　（４）焊接区域的抗拉强度随正火温度升高而　下降，且在９２０　ｏＣ左右的正火热处理后，与母材　基本相等。　（５）正火热处理后的焊缝及热影响区，冲击　韧性大大提高，正火温度在９００～９３０℃之间时，　Ｘ６０级ＨＦＷ焊管焊接区域的冲击韧性达到最高。　参考文献：　［１］张敏，赵鹏康，王文武，等．高频电阻焊连续油管焊接　ＨＡＺ组织性能热模拟分析［Ｊ］．焊接技术，２０１１，４０（２）：　１２—１５．　［２］蔚长春．高频制管金相检验的评价标准与控制［Ｊ］．焊管，　１９９５，１８（５）：５１－５４．　［３］黄友阳．高频焊管金属流线的形成形态与分析［Ｊ］．钢管，　２０００（６）：３１－３６．　『４］黄业华，袁宗明．正火温度对Ｘ６５钢直缝电阻焊管焊接　区组织和性能的影响［Ｊ］．金属热处理，２０１０（８）：６７－７０．　［５］冯钊棠，谢仕强，苏腾太．ＥＲＷ钢管焊缝冲击韧性影响　要素分析［Ｊ］．焊管，２００４，２７（５）：２６—２８．　『６］ＫＲＡＵＳＳ　Ｇ．ＴＨＯＭＰＳＯＮ　Ｓ　Ｗ．Ｆｅｒｒｉｔｅ　Ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　Ｃｏｏｌｅｄ　Ｌｏｗ　ａｎｄ　Ｕｈｒａｌｏｗ—ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ『Ｊ］．ＩＳｌＪ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１．３５（８）：９３７—９４５．　作者简介：崔延（１９８７一），男，西安交通大学材料学院硕士　研究生，主要从事金属材料力学性能与抗腐蚀性能的研　究。　收稿１３期：２０１１－０６—０１　编辑：谢淑霞