焊材對螺旋縫預精焊管焊縫組織和性能的影響
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劉文友，張曉強
摘要:針對L450管線鋼螺旋縫預精焊管批量生產中出現的焊縫沖擊性能不合格的問題， 更換為Cr， Ni， Ti等元素含量較高的焊絲進行焊接，通過對不同匹配下焊縫取樣，并進行 顯微組織和力學性能分析，結果顯示，更換焊絲后焊縫組織，其柱狀晶兩側分布的先共析 鐵素體(PF)總量減少，主要以針狀鐵素體(AF)為主，并且針狀鐵素體、先共析鐵素體的晶 粒更為細小，沖擊韌性有明顯提高。
關鍵詞:螺旋縫預精焊;焊材成分;先共析鐵素體;針狀鐵素體;沖擊韌性
The Effect of Welding Material on Weld Microstructure and Properties of Spiral Two-step Welding Pipe
Abstract: Aim at the problem of LASO steel weld impact property which occurred in mass production spiral two-step welding pipe， using the welding wire with higher contents of Cr， Ni ，Ti and other elements to conduct welding， weld sample was taken out through different welding match， the microstructure and mechanical properties were analyzed， the results indicated that the total quantity of proeutectoid ferrite distributed in both sides of column crystal was reduced after replacing welding wire. The weld microstructure mainly included acicular ferrite， the grain of acicular ferrite (AF)， proeutectoid fen'ite (PF)was finer， its impact toughness value was obviously increased. Key words: spiral two-step welding pipe; welding material component; proeutectoid ferrite (PF); acicular fenite (AF); impact toughness
前言
早在19世紀70年代加拿大建設天然氣管 線就采用了由德同霍西公司為其提供的預焊和精焊的生產工藝，此工藝又稱為兩步法生產工藝。 預焊采用熔化極氣體保護焊，預焊速度即帶鋼成型遞送速度，可達3-5m/min。鋼管的內焊在另外單獨的臺架上通過懸臂焊炬完成，外焊在精 焊臺架上進行，焊管在正交車昆道上既能向前移 動，又能同時做圓周滾動，焊管螺旋運動與焊縫的螺旋角同步，使內外焊的焊接可連續進行[門。 目前國內已有制管企業嘗試引進了這-生產工
藝，其中沙市鋼管廠自主研發設計的國產機組已 逐步開始投產，目前該企業擁有2套成型預焊機組， 4套精焊機組。預精焊工藝技術是目前國內 螺旋埋弧焊管中較為先進的制管工藝技術，它的優點是有效地解決了成型和焊接之間的相互干擾問題，充分發揮了成型和焊接的各自優勢，實現了高速成型和低速焊接的有機結合，極大地提高了生產線的產量和質量有效地降低了生產成本。筆者針對IA50管線鋼螺旋縫預精焊批量生 產中出現的一些問題進行了研究，采用了多種焊材匹配，對得到的焊縫顯微組織和性能進行分析討論。
劉文友，張曉強
摘要:針對L450管線鋼螺旋縫預精焊管批量生產中出現的焊縫沖擊性能不合格的問題， 更換為Cr， Ni， Ti等元素含量較高的焊絲進行焊接，通過對不同匹配下焊縫取樣，并進行 顯微組織和力學性能分析，結果顯示，更換焊絲后焊縫組織，其柱狀晶兩側分布的先共析 鐵素體(PF)總量減少，主要以針狀鐵素體(AF)為主，并且針狀鐵素體、先共析鐵素體的晶 粒更為細小，沖擊韌性有明顯提高。
關鍵詞:螺旋縫預精焊;焊材成分;先共析鐵素體;針狀鐵素體;沖擊韌性
The Effect of Welding Material on Weld Microstructure and Properties of Spiral Two-step Welding Pipe
Abstract: Aim at the problem of LASO steel weld impact property which occurred in mass production spiral two-step welding pipe， using the welding wire with higher contents of Cr， Ni ，Ti and other elements to conduct welding， weld sample was taken out through different welding match， the microstructure and mechanical properties were analyzed， the results indicated that the total quantity of proeutectoid ferrite distributed in both sides of column crystal was reduced after replacing welding wire. The weld microstructure mainly included acicular ferrite， the grain of acicular ferrite (AF)， proeutectoid fen'ite (PF)was finer， its impact toughness value was obviously increased. Key words: spiral two-step welding pipe; welding material component; proeutectoid ferrite (PF); acicular fenite (AF); impact toughness
前言
早在19世紀70年代加拿大建設天然氣管 線就采用了由德同霍西公司為其提供的預焊和精焊的生產工藝，此工藝又稱為兩步法生產工藝。 預焊采用熔化極氣體保護焊，預焊速度即帶鋼成型遞送速度，可達3-5m/min。鋼管的內焊在另外單獨的臺架上通過懸臂焊炬完成，外焊在精 焊臺架上進行，焊管在正交車昆道上既能向前移 動，又能同時做圓周滾動，焊管螺旋運動與焊縫的螺旋角同步，使內外焊的焊接可連續進行[門。 目前國內已有制管企業嘗試引進了這-生產工
藝，其中沙市鋼管廠自主研發設計的國產機組已 逐步開始投產，目前該企業擁有2套成型預焊機組， 4套精焊機組。預精焊工藝技術是目前國內 螺旋埋弧焊管中較為先進的制管工藝技術，它的優點是有效地解決了成型和焊接之間的相互干擾問題，充分發揮了成型和焊接的各自優勢，實現了高速成型和低速焊接的有機結合，極大地提高了生產線的產量和質量有效地降低了生產成本。筆者針對IA50管線鋼螺旋縫預精焊批量生 產中出現的一些問題進行了研究，采用了多種焊材匹配，對得到的焊縫顯微組織和性能進行分析討論。
1試驗材料
試驗用原料為國內某鋼廠生產的rA50管線 鋼板，板厚12.7mm，其微觀形貌如圖1所示，
其化學成分見表1，其組織主要為針狀鐵素體和塊狀鐵素體。
選擇A， B兩種焊絲進行預精焊生產，兩種 焊絲化學成分見表2。
兩種焊絲化學成分差異較大，區別主要體現 在心， Ni， AI， Ti等元素上， B焊絲中Cr， Ni， Ti元素含量較高， Al元素含量較低。同時，采 用A， B焊絲進行內外焊接，分別得到甲、乙兩 根鋼管。表3為甲、乙兩根鋼管的焊縫化學成 分，可以看出，焊縫熔敷金屬中Cr， Ni成分差 異較大， AI， Ti成分較母材有所變化。
其化學成分見表1，其組織主要為針狀鐵素體和塊狀鐵素體。
選擇A， B兩種焊絲進行預精焊生產，兩種 焊絲化學成分見表2。
兩種焊絲化學成分差異較大，區別主要體現 在心， Ni， AI， Ti等元素上， B焊絲中Cr， Ni， Ti元素含量較高， Al元素含量較低。同時，采 用A， B焊絲進行內外焊接，分別得到甲、乙兩 根鋼管。表3為甲、乙兩根鋼管的焊縫化學成 分，可以看出，焊縫熔敷金屬中Cr， Ni成分差 異較大， AI， Ti成分較母材有所變化。
2試驗結果
采用外雙絲、內三絲埋弧自動焊焊接方法， 相同焊接工藝參數，同一牌號的焊劑分別匹配 A， B兩種焊絲進行鋼管焊接生產。兩種鋼管焊 縫的主要力學性能見表4。
從表4數據中可以看出，使用焊絲A生產 出的鋼管甲，其焊縫的單值沖擊韌性并不能滿足
GB廳9711.1一1997的要求(單值40 J)；而更換焊 絲B生產出的銅管乙，其焊縫沖擊韌性有了大 幅度提升。對焊縫宏觀形貌進行分析，甲、乙兩 根鋼管的焊縫成形良好，過渡平滑。
圖2為A， B兩種焊絲預精焊后的焊縫在50 倍顯微下的組織，可以看出柱狀晶成長的方向， 在柱狀晶兩側均分布著白色的先共析鐵素體。
兩種焊絲得到的焊縫組織區別在于:圖2(a) 中柱狀晶的晶粒較細小，而圖2(b)中的柱狀晶比 較粗大，采用B焊絲生產的乙鋼管焊縫組織， 其柱狀晶兩側分布的先共析鐵素體總量要比采用 A焊絲的少O圖3為A. B兩種焊絲預精焊后的 焊縫在500倍顯微下的組織，由圖可以看出，采 用B焊絲預精焊生產得到的焊縫組織主要以針 狀鐵素體為主，并且AF和PF的晶粒要比采用 A焊絲的更為細小。
從表4數據中可以看出，使用焊絲A生產 出的鋼管甲，其焊縫的單值沖擊韌性并不能滿足
GB廳9711.1一1997的要求(單值40 J)；而更換焊 絲B生產出的銅管乙，其焊縫沖擊韌性有了大 幅度提升。對焊縫宏觀形貌進行分析，甲、乙兩 根鋼管的焊縫成形良好，過渡平滑。
圖2為A， B兩種焊絲預精焊后的焊縫在50 倍顯微下的組織，可以看出柱狀晶成長的方向， 在柱狀晶兩側均分布著白色的先共析鐵素體。
兩種焊絲得到的焊縫組織區別在于:圖2(a) 中柱狀晶的晶粒較細小，而圖2(b)中的柱狀晶比 較粗大，采用B焊絲生產的乙鋼管焊縫組織， 其柱狀晶兩側分布的先共析鐵素體總量要比采用 A焊絲的少O圖3為A. B兩種焊絲預精焊后的 焊縫在500倍顯微下的組織，由圖可以看出，采 用B焊絲預精焊生產得到的焊縫組織主要以針 狀鐵素體為主，并且AF和PF的晶粒要比采用 A焊絲的更為細小。
3試驗結果分析
在焊接工藝參數相同的條件下，由于選用的 焊絲不同，導致兩種焊縫的組織及力學性能差異 較大。A， B兩種焊絲的區別主要在于Cr， Ni， AI， Ti等元素含量不同。
Cr元素能抑制奧氏體的轉變。在w(Cr)為O -2.3 %條件下，當w(Mn)為1.0 %時，隨著Cr 含量增加，先共析鐵素體連續減少， AF含量隨 Cr含量的增加而增加山。
Ni元素不但降低γ→α相變溫度，減少先共 析鐵素體含量并改善焊縫的沖擊韌性，而且減小 低溫時焊縫金屬的摩擦阻力和釘扎常數，增加層 錯能，促進低溫時螺型位錯交滑移，從而使裂紋 擴展消耗功增加，進而可以獲得較高的低溫韌性3。 在焊縫金屬的整個冷卻速度范圍內， Ni可以使 相變溫度降低，并且使側板條鐵素體開始轉變溫 度降低程度明顯大于針狀鐵素體開始轉變溫度的 降低。若有Mn存在時Ni的這種效果有利于針 狀鐵素體形成[4]。
Al是強氧化物形成元素，具有很強的脫氧 和細化晶粒的作用。Al容易使AF在原奧氏體晶內合適的夾雜物t形核長大。焊縫硬度與強度隨 Al含量的增加而增大，而沖擊韌性則減小[2]。
Ti對低合金高強鋼埋弧焊焊縫金屬組織和 性能有很大影響。同時加入Mo，Ti會降低奧氏 體→鐵素體相變溫度，并使相變溫度區間縮短。當 ω(Mo)為0.1 %-0.35%，ω(Ti)為0.03 % - 0.05 % 時，在焊縫金屬中生成穩定均勻的針狀鐵素體組 織，此時焊縫沖擊韌性最高[40]。
原奧氏體晶粒尺寸主要由焊接線能量和焊縫 金屬化學成分決定。焊縫金屬中氧含量增大， 原奧氏體晶粒變小[2J。由上可知，母材中weAl)為 0.023%， A焊絲中weAl)為0.019 %， B焊絲中 weAl)為0.008%。眾所周知，在埋弧焊中焊縫內 的絕大多數成分來自于母材。在預精焊后，甲焊縫 中ω(AI)為0.016 %，乙焊縫中ω(AI)為0.006%。 證明乙焊縫中Al脫氧能力比甲焊縫強，因此使 用B焊絲的鋼管乙焊縫金屬中氧含量較少，故B 焊絲的原奧氏體晶粒更為粗大。在焊縫冷卻過程 中，細小奧氏體分解成PF和粗AF板條，而較 大奧氏體分解成PF和細AF。由于大尺寸晶粒的 晶界相對要小，所以粗奧氏體晶粒分解產物中 AF所占的比例很大。在連續冷卻過程中，PF形成的溫度高，且在其形成時要釋放出結晶潛熱， 使奧氏體過冷度相對減小，這相當于焊縫金屬的 冷卻速度相對減小。顯然，細小奧氏體的晶界較 大，析出的PF較多，釋放的結晶潛熱也較多， 使得原奧氏體晶粒細小時，晶內轉變產物為粗 AF，而原奧氏體晶粒粗大時，晶內轉變產物為細 AF[飛因此，采用B焊絲生產的乙焊縫組織柱狀 品較粗大，其柱狀晶兩側分布的先共析鐵素體總 量要比采用A焊絲的少。
因為B焊絲在合金元素含量增加的情況下 抑制了先共析鐵素體的析出，其焊縫組織以針狀 鐵素體為主。Cr，陽， Ti等合金元素都更易于獲 得細晶粒組織。晶粒越細小，強度和硬度則越 高，同時塑性韌性也越好。因而采用B焊絲得 到的焊縫沖擊韌性要比A焊絲高。
參考文獻:
[ 1 J毛周團，尹志遠，王少華，等.螺旋埋弧焊管預精焊生 產工藝[J].焊管，2010，33 (4 ):52-55.
[2J張德勤，雷毅，劉志義.徽合金鋼焊縫金屬中的針狀鐵 素體[JJ.中國石油大學學報，2003，27 (4 ):141-144.
[3J張敏，姚成武，周永欣，等. X80管線鋼埋弧焊縫組織 特征及其控制的試驗研究[J].中國石油大學學報， 2006，30(5 ):88-92.
[4J村.則裕，張德勤，田志凌.低碳低合金鋼焊縫金屬的顯 微組織及其影響因素[JJ鋼鐵，1999， 34( 10):67-71.
作者簡介:劉文友(1986-) ，男，2007年畢業于西安石油大 學，工學學士，焊接助理工程師，主要從事螺旋埋弧焊管焊 接質量與工藝管理工作。
Cr元素能抑制奧氏體的轉變。在w(Cr)為O -2.3 %條件下，當w(Mn)為1.0 %時，隨著Cr 含量增加，先共析鐵素體連續減少， AF含量隨 Cr含量的增加而增加山。
Ni元素不但降低γ→α相變溫度，減少先共 析鐵素體含量并改善焊縫的沖擊韌性，而且減小 低溫時焊縫金屬的摩擦阻力和釘扎常數，增加層 錯能，促進低溫時螺型位錯交滑移，從而使裂紋 擴展消耗功增加，進而可以獲得較高的低溫韌性3。 在焊縫金屬的整個冷卻速度范圍內， Ni可以使 相變溫度降低，并且使側板條鐵素體開始轉變溫 度降低程度明顯大于針狀鐵素體開始轉變溫度的 降低。若有Mn存在時Ni的這種效果有利于針 狀鐵素體形成[4]。
Al是強氧化物形成元素，具有很強的脫氧 和細化晶粒的作用。Al容易使AF在原奧氏體晶內合適的夾雜物t形核長大。焊縫硬度與強度隨 Al含量的增加而增大，而沖擊韌性則減小[2]。
Ti對低合金高強鋼埋弧焊焊縫金屬組織和 性能有很大影響。同時加入Mo，Ti會降低奧氏 體→鐵素體相變溫度，并使相變溫度區間縮短。當 ω(Mo)為0.1 %-0.35%，ω(Ti)為0.03 % - 0.05 % 時，在焊縫金屬中生成穩定均勻的針狀鐵素體組 織，此時焊縫沖擊韌性最高[40]。
原奧氏體晶粒尺寸主要由焊接線能量和焊縫 金屬化學成分決定。焊縫金屬中氧含量增大， 原奧氏體晶粒變小[2J。由上可知，母材中weAl)為 0.023%， A焊絲中weAl)為0.019 %， B焊絲中 weAl)為0.008%。眾所周知，在埋弧焊中焊縫內 的絕大多數成分來自于母材。在預精焊后，甲焊縫 中ω(AI)為0.016 %，乙焊縫中ω(AI)為0.006%。 證明乙焊縫中Al脫氧能力比甲焊縫強，因此使 用B焊絲的鋼管乙焊縫金屬中氧含量較少，故B 焊絲的原奧氏體晶粒更為粗大。在焊縫冷卻過程 中，細小奧氏體分解成PF和粗AF板條，而較 大奧氏體分解成PF和細AF。由于大尺寸晶粒的 晶界相對要小，所以粗奧氏體晶粒分解產物中 AF所占的比例很大。在連續冷卻過程中，PF形成的溫度高，且在其形成時要釋放出結晶潛熱， 使奧氏體過冷度相對減小，這相當于焊縫金屬的 冷卻速度相對減小。顯然，細小奧氏體的晶界較 大，析出的PF較多，釋放的結晶潛熱也較多， 使得原奧氏體晶粒細小時，晶內轉變產物為粗 AF，而原奧氏體晶粒粗大時，晶內轉變產物為細 AF[飛因此，采用B焊絲生產的乙焊縫組織柱狀 品較粗大，其柱狀晶兩側分布的先共析鐵素體總 量要比采用A焊絲的少。
因為B焊絲在合金元素含量增加的情況下 抑制了先共析鐵素體的析出，其焊縫組織以針狀 鐵素體為主。Cr，陽， Ti等合金元素都更易于獲 得細晶粒組織。晶粒越細小，強度和硬度則越 高，同時塑性韌性也越好。因而采用B焊絲得 到的焊縫沖擊韌性要比A焊絲高。
參考文獻:
[ 1 J毛周團，尹志遠，王少華，等.螺旋埋弧焊管預精焊生 產工藝[J].焊管，2010，33 (4 ):52-55.
[2J張德勤，雷毅，劉志義.徽合金鋼焊縫金屬中的針狀鐵 素體[JJ.中國石油大學學報，2003，27 (4 ):141-144.
[3J張敏，姚成武，周永欣，等. X80管線鋼埋弧焊縫組織 特征及其控制的試驗研究[J].中國石油大學學報， 2006，30(5 ):88-92.
[4J村.則裕，張德勤，田志凌.低碳低合金鋼焊縫金屬的顯 微組織及其影響因素[JJ鋼鐵，1999， 34( 10):67-71.
作者簡介:劉文友(1986-) ，男，2007年畢業于西安石油大 學，工學學士，焊接助理工程師，主要從事螺旋埋弧焊管焊 接質量與工藝管理工作。
河北龍馬鋼管制造股份有限公司
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