Effect of different welding wires on microstructure and low temperature impact toughness of welded joint of X65M steel pipe
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摘要:
直缝埋弧焊管作为重要的工程材料，广泛应用于钢结构、流体管道以及基础打桩等工程中。阿尔及利亚客户基于经济效益考虑，要求直缝埋弧焊原材料在不额外添加金属元素Ni的情况下，不仅需要满足API 5L 45th PSL2规范，还要求在−29 ℃条件下具有较高的冲击韧性。为了获得良好的具有良好低温冲击韧性的X65M级别钢材的焊接接头，采用四套不同化学成分的内外焊设计方案，进行X65M管线钢焊接工艺试验。利用光学显微镜分析了焊缝和热影响区的宏观组织，通过硬度试验和多温度冲击试验测试了其硬度和韧性。试验结果表明，MnNiTiB，MnMoNiTiB+MnMoTiB和MnMoNiTiB内外焊方案均满足：在−29 ℃条件，要求焊缝中心、热影响区冲击吸收能量单个值$\geqslant $ 49 J，平均值$\geqslant $ 61 J，其中MnMoNiTiB方案富余量最大。从经济性上看，MnNiTiB方案满足技术要求，同时价格在4个方案中是最低的。
Abstract:As an important engineering material, LSAW pipes are widely used in steel structures, pipelines and pile foundation. Based on economic considerations, Algerian customer required steel sheet raw material to meet not only API 5L 45th PSL2 specification, but also high impact toughness at −29 ℃, without additional metal element Ni. In order to obtain welded joint of X65M grade steel with good low temperature impact toughness, four internal and external welding design schemes with different chemical composition were adopted to conduct welding process test on X65M pipeline steel. The macrostructure of weld and heat-affected zone was analysed with optical microscop, and hardness and toughness were tested by hardness tests and multi-temperature impact tests. The test results show that MnNiTiB, MnMoNiTiB+MnMoTiB and MnMoNiTiB internal and external welding programmes meet technical requirements of single welding seam and heat-affected zone with impact energy greater than 49 J and average value greater than 61 J at −29 ℃. Among them, MnMoNiTiB scheme has the largest surplus. In terms of economy, the MnNiTiB plan meets technical requirements, and price is the lowest among the four schemes.
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Keywords:
- pipeline steel /
- welding wire /
- mechanical properties /
- microstructure
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0. 前言
在石油和天然气工程中，钢管材料的性能至关重要，特别是严酷环境下，需要具有高强度、高韧性和耐久性的材料，故材料改进成为钢材制造商及钢管制造商共同努力的目标。在这种背景下，阿尔及利亚客户提出了需要验证API 5LX65M钢管[1]。在阿尔及利亚方的客户技术规格书中，除要求符合API 5L 45th PSL2规范外，还对材料的夏比V形缺口冲击吸收能量提出了要求：考虑钢管产品服役环境，冲击试验温度为−29 ℃，试样位置为管体母材、焊缝中心、热影响区，试验验收指标为单个值$\geqslant $ 49 J，平均值$\geqslant $ 61 J。基于经济效益考虑，客户在含钼Mo，不特意添加金属元素铌Ni或低Ni含量的情况下，保证钢板能满足各项力学性能指标，包括−29 ℃的夏比冲击要求。有鉴于此，文中采用4种内外焊匹配方案，包括H08DG，H08C及自行研制的MK65HGX-III焊丝的不同组合，对X65M级别钢材进行焊接工艺试验，研究其对焊接接头的阻止及力学性能的影响，评价工艺试验结果是否符合客户的技术要求及其他要求。
1. 试验方法
试用4种焊丝匹配方案和X65M母管材料进行焊接工艺试验。钢管材料的化学成分见表1，X65M采用0.06C-中Mn系列 + 0.4Nb + 0.05Mo。
表 1 母管材料的化学成分（质量分数，%）C Si Mn P S Mo Cr Nb Ni 0.062 7 0.218 5 1.440 4 0.012 1 0.001 1 0.052 9 0.20 0.0385 — Als Alt N B Ca Ti 碳当量CEIIW 冷裂纹敏感系数CEpcm 0.029 4 0.030 9 0.005 2 0.000 1 0.002 3 0.016 9 0.357 0.158 该钢管材料满足API 5L 45th PSL2对X65M的要求。可以看到，钢管材料的碳含量和合金含量都比较低，结合良好的热机械轧制工艺，可以获得细化的微观组织。
根据母材的化学成分和焊缝低温冲击性能要求，拟定采用了低碳C的MnNiTiB，MnMoNiTiB和MnMoTiB合金系列焊丝，焊丝的化学成分设计详见表2。
表 2 焊丝材料的化学成分（质量分数，%）设计系列 焊丝牌号 Mn/Si Si Mn Ti B Mo Ni C S P MnNiTiB H08DG 27.08 0.065 1.76 0.0500 0.0040 — 0.3 0.071 0.005 0.010 MnMoNiTiB MK65HGX-III（合作开发） 8.71 0.186 1.62 0.0588 0.0040 0.370 0.2 0.040 0.001 0.009 MnMoTiB H08C 12.26 0.128 1.57 0.0470 0.0036 0.342 — 0.057 0.002 0.005 焊丝成分设计选用原则为：①添加Mn合金元素可以提高焊缝金属的强度[2 − 3]；②添加微量元素钛Ti、硼B，焊接时容易产生钛元素的氧化物和氮化物，从而抑制先共析铁素在晶界形核长大，同时为针状铁素体提供形核核心，有利于提高针状铁素体比例[4]；③添加铌Ni合金元素，有助于提高焊缝中针状铁素体和细小的粒状贝氏体铁素体的含量，能够增强焊缝金属的强韧性[5 − 6]；④而添加适量的钼Mo合金元素能降低相变温度，推迟多边形和块状铁素体的转变，延迟贝氏体转变，促使针状铁素体转变，并且同时可细化晶粒尺寸，降低韧脆转变温度[7 − 8]。
钢管焊接工艺采用内外单层多丝焊，内焊一层一道三丝焊，外焊一层一道四丝焊，拟定内外焊的方案。
内焊和外焊的前丝采用DC-1500数字化直流埋弧焊机，内焊中丝、后丝、外焊的中丝1、中丝2和后丝采用AC-1500数字化交流埋弧焊机。
焊接工艺参数见表3。焊接前，需要把在试样板上开X形坡口，装配前坡口及附近应无影响焊接质量的杂物[9]。装配间隙$\leqslant $ 1.0 mm，错边$\leqslant $ 0.8 mm，在试件的背面首先采用气保焊进行预焊[10]。
表 3 焊接工艺参数前丝电流I1/A 中丝电流I2/A 后丝电流I3/A 直径D/mm 焊接速度v/(m·min−1） 试板厚度d/mm 850～950 650～750 550～650 4.0 1.3～1.8 19.1 焊接后，分析焊接接头成分，观察其金相微观组织，测定显微硬度和夏比V形缺口试验[11]。
2. 试验结果及分析
2.1 焊缝成分分析
表4是不同焊丝方案焊缝熔敷金属的化学成分分析结果。
表 4 焊缝熔敷金属的化学成分（质量分数，%）序号 位置 焊丝匹配 C Si Mn Cu Ni Cr Ti Mo Nb B Alt N N01
(MnNiTiB)内 H08DG(3根) 0.06 0.28 1.59 0.03 0.11 0.13 0.016 0.042 0.03 0.000 7 0.018 0.005 4 外 H08DG(4根) 0.05 0.28 1.63 0.03 0.15 0.11 0.011 0.034 0.02 0.000 8 0.015 0.004 9 N02
(MnMoNiTiB+
MnMoTiB)内 MK65HGX-III(1根)+
H08C(2根)0.05 0.30 1.59 0.05 0.08 0.14 0.017 0.127 0.03 0.000 8 0.02 0.005 2 外 MK65HGX-III(1根)+
H08C(3根)0.05 0.30 1.58 0.06 0.11 0.12 0.015 0.132 0.02 0.000 9 0.018 0.006 3 N03
(MnMoNiTiB+
MnMoTiB)内 MK65HGX-III(2根)+
H08C(1根)0.05 0.30 1.61 0.05 0.27 0.11 0.014 0.123 0.02 0.000 8 0.016 0.004 1 外 MK65HGX-III(2根)+
H08C(2根)0.05 0.30 1.61 0.05 0.12 0.12 0.013 0.142 0.02 0.000 9 0.016 0.005 8 N04
(MnMoNiTiB)内 MK65HGX-III(3根) 0.05 0.30 1.58 0.06 0.05 0.13 0.015 0.140 0.03 0.000 8 0.018 0.005 7 外 MK65HGX-III(4根) 0.05 0.32 1.64 0.06 0.05 0.09 0.011 0.187 0.02 0.001 1 0.013 0.006 9 2.2 宏观组织分析
由于篇幅原因，文中只通过图1列出N04焊丝方案所焊的X65M管线钢接头的显微组织。
如图1a所示，外焊缝、焊缝根部、内焊缝各区域内的金相组织分布基本均匀较为一致，晶内主要为细小的针状铁素体（AF）组织，在局部区域存在多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）组织，以及少量的珠光体（P）组织。焊缝金属中AF含量可达70%～85%，PF和QF含量约为5%～10%，剩余部分为P。其中针状铁素体主要以多位向、相互交错分布，犹如筐篮的编织结构，其晶界呈现大角度界面，有利于提高微裂纹扩展阻力，使焊缝具有良好的低温强韧性[12]。
对于外焊缝、焊缝根部、内焊缝3个区域，焊缝根部区域的组织均匀性稍差，主要是由于其处于中部，在前后内外焊接时，属于二次加热区域，会造成一定的物相偏析（不排除有成分偏差的可能性），再其次其处于焊缝中心，二次加热，冷却速度相对内外焊缝降温较慢，会促成晶粒长大，所以其晶粒与内外焊缝相比会偏大[13]。内焊缝的组织均匀性最好，主要是受外焊缝焊接时加热温度的影响有“退火”功能，其组织更均匀。
如图1b所示，内焊、外焊、焊缝根部3个位置的热影响区，晶界内主要为多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）组织，并以无序界面的多边形和不规则的粗大块状存在，呈现网状分布。在局部区域出现了少量的层片状形态的珠光体，且原始晶界中出现的M-A岛状组织。这种铁素体 + 珠光体的组织形式，致使热影响区性能恶化。
内焊、外焊、焊缝根部3个位置的热影响区区域相比较而言，内焊热影响区组织均匀性相对较好，原始奥氏体晶粒度大小相对较小，主要是由于焊接热输入小。而外焊、焊缝根部热影响区因为属于高热输入或二次加热区域，导致热影响区性能下降。
2.3 硬度试验
根据技术要求，参照ASTM E384—2011el标准《材料的努氏和维氏硬度标准试验方法》[14]。焊接接头按图2标识的点进行取样，数据图2所示，可以看到，焊缝中心的热影响区硬度最高，热影响区的硬度最低，最大硬度为232 HV10，最小硬度为188 HV10，均满足阿尔及利亚市场的客户技术要求最大允许硬度不超过250 HV10的要求。
2.4 夏比冲击试验
如图3所示，从4种焊丝焊接的焊缝接头中，截取焊缝和热影响区制作夏比V形缺口试样，每种焊丝测试5个试样，分别是20，0，−29，−40，−60 ℃。参照ASTM A370—2012a标准《钢产品机械性能试验的方法与定义》，对热影响区和焊缝处取试样，在JBD-30D 低温冲击机上进行多个温度的夏比冲击试验[15]。
根据对焊缝和热影响区冲击验收值：在−29 ℃条件，没有规定塑性剪切面积值，只要求单个大于49 J，平均值大于61 J，见表5。从4套焊丝匹配方案中可以看出，N03的焊缝冲击没有通过技术要求，其他均可满足技术要求。不含Mo钢板匹配的4种基本的焊丝合金成分的夏比冲击试验过渡曲线可知， N04（MnMoNiTiB）合金系保证了较大体积分数的细晶针状铁素体和低的氮含量，所以N04合金系和N02 和N03（MnMoNi + MnMoTiB）合金系接近上平台区（常温区间）韧性值比N01（MnNiTiB）合金系高，转变温度也更低，N02 和N03（MnMoNi + MnMoTiB）组合合金系在低温波动较大。从经济性上看，N01方案满足技术要求，同时价格在4个方案中是最低的。
表 5 −29 ℃冲击试验结果位置 试样尺寸
（mm × mm × mm）温度
T/℃冲击吸收能量 AkV/J 技术要求 N01 N02 N03 N04 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 焊缝 55 × 10 × 10 −29 61 49 97 98，98，96 68 52，72，80 47 36，45，60 125 140，120，116 热影响区 55 × 10 × 10 −29 61 49 112 103，113，120 85 89，81，85 79 72，88，76 161 181，157，145 3. 结论
（1）采用4种不同化学成分的焊丝对X65M管线钢进行焊接试验，其中N01，N02，N04均为满足：在−29 ℃条件，要求焊缝中心、热影响区冲击吸收能量单个值$\geqslant $ 49 J，平均值$\geqslant $ 61 J，其中N04方案富余量最大。从经济性上看，N01方案满足技术要求，同时价格在4个方案中是最低的。
（2）文中含钼Mo的X65M钢板匹配的4种焊丝方案中，MnNiTiB合金系的低温冲击性能好于组合式的MnMoNiTiB + MnMoTiB合金系和MnMoNiTiB系。
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表 1 母管材料的化学成分（质量分数，%）
C Si Mn P S Mo Cr Nb Ni 0.062 7 0.218 5 1.440 4 0.012 1 0.001 1 0.052 9 0.20 0.0385 — Als Alt N B Ca Ti 碳当量CEIIW 冷裂纹敏感系数CEpcm 0.029 4 0.030 9 0.005 2 0.000 1 0.002 3 0.016 9 0.357 0.158 
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表 2 焊丝材料的化学成分（质量分数，%）
设计系列 焊丝牌号 Mn/Si Si Mn Ti B Mo Ni C S P MnNiTiB H08DG 27.08 0.065 1.76 0.0500 0.0040 — 0.3 0.071 0.005 0.010 MnMoNiTiB MK65HGX-III（合作开发） 8.71 0.186 1.62 0.0588 0.0040 0.370 0.2 0.040 0.001 0.009 MnMoTiB H08C 12.26 0.128 1.57 0.0470 0.0036 0.342 — 0.057 0.002 0.005
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表 3 焊接工艺参数
前丝电流I1/A 中丝电流I2/A 后丝电流I3/A 直径D/mm 焊接速度v/(m·min−1） 试板厚度d/mm 850～950 650～750 550～650 4.0 1.3～1.8 19.1
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表 4 焊缝熔敷金属的化学成分（质量分数，%）
序号 位置 焊丝匹配 C Si Mn Cu Ni Cr Ti Mo Nb B Alt N N01
(MnNiTiB)内 H08DG(3根) 0.06 0.28 1.59 0.03 0.11 0.13 0.016 0.042 0.03 0.000 7 0.018 0.005 4 外 H08DG(4根) 0.05 0.28 1.63 0.03 0.15 0.11 0.011 0.034 0.02 0.000 8 0.015 0.004 9 N02
(MnMoNiTiB+
MnMoTiB)内 MK65HGX-III(1根)+
H08C(2根)0.05 0.30 1.59 0.05 0.08 0.14 0.017 0.127 0.03 0.000 8 0.02 0.005 2 外 MK65HGX-III(1根)+
H08C(3根)0.05 0.30 1.58 0.06 0.11 0.12 0.015 0.132 0.02 0.000 9 0.018 0.006 3 N03
(MnMoNiTiB+
MnMoTiB)内 MK65HGX-III(2根)+
H08C(1根)0.05 0.30 1.61 0.05 0.27 0.11 0.014 0.123 0.02 0.000 8 0.016 0.004 1 外 MK65HGX-III(2根)+
H08C(2根)0.05 0.30 1.61 0.05 0.12 0.12 0.013 0.142 0.02 0.000 9 0.016 0.005 8 N04
(MnMoNiTiB)内 MK65HGX-III(3根) 0.05 0.30 1.58 0.06 0.05 0.13 0.015 0.140 0.03 0.000 8 0.018 0.005 7 外 MK65HGX-III(4根) 0.05 0.32 1.64 0.06 0.05 0.09 0.011 0.187 0.02 0.001 1 0.013 0.006 9
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表 5 −29 ℃冲击试验结果
位置 试样尺寸
（mm × mm × mm）温度
T/℃冲击吸收能量 AkV/J 技术要求 N01 N02 N03 N04 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 平均值 试样值 焊缝 55 × 10 × 10 −29 61 49 97 98，98，96 68 52，72，80 47 36，45，60 125 140，120，116 热影响区 55 × 10 × 10 −29 61 49 112 103，113，120 85 89，81，85 79 72，88，76 161 181，157，145
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