高钢级管线钢 焊接热影响区局部脆 化原因分析

吴金梅

山东工业职业学院 山东 淄博 256414

摘要：通过对焊接热影响区不同微区显微组织的对比，及通过电子显微镜(SEM)对焊接热影响区不同位置的冲击断口形貌进行对比，分析了焊接热影响区局部脆化原因，指出X90级管线钢焊接热影响区的临界粗晶区在特殊热过程中形成的粗大的M/A组元的是导致临界粗晶区局部脆化的主要原因。

关键词：管线钢 焊接热影响区 脆化

0 前言

近年来国内外高强度管线钢、管线管研发工作十分活跃，随着管线钢钢级的提高，焊接热影响局部脆化问题也越来越突出。

本文通过对X90级管线钢焊接热影响区进行夏比V型缺口冲击试验及对测试结果和热影响区各微区微观组织的分析，总结了高钢级管线钢焊接热影响区局部脆化的原因。

1试验材料

试件材质：X90级管线钢；试件类型：焊管；壁厚：16.3mm；焊接工艺：双面埋弧焊；无损检测：全焊缝X射线及超声波检测，合格。

2冲击韧性试验

2.1系列温度夏比V型缺口冲击试验

按照Q/SY GJX 124-2013标准的要求，取1节管段对钢管管体、焊缝、热影响区进行10℃、0℃、-10℃、-20℃、-40℃、-60℃等系列温度夏比V型缺口冲击试验；试验结果表明：-60℃时，管体横向、热影响区的冲击功(Kv)均值分别为：147J、214J，剪切断面率分别为59%、剪切断面率为70%；-40℃时，焊缝冲击功均值为78J，剪切断面率为47%；试验结果表明：X90级双面埋弧焊管具备优良的低温韧性。

2.2 -10℃夏比V型缺口冲击

按照Q/SY GJX 124-2013标准的要求，对6节管段的管体、焊缝、热影响区进行-10℃夏比V型缺口冲击试验。试验结果均满足标准要求，其中管体横向冲击功均值最低269J、最高412J，焊缝冲击功均值最低147J、最高163J，焊接热影响区冲击功均值最低156J、最高226J；整体表现出较好的冲击韧性。但热影响区冲击试验出现了1个冲击功为66J的异常低值，虽然满足标准规定的单值下限要求：-10℃，焊缝及热影响区冲击功Kv_单值≥60J，Kv_均值≥80J；但实际工业生产中显然要有一定裕量，理想状态应是冲击值较高且稳定，离散度小，无异常低值，同时该冲击试样的剪切断面率为67%，较其他剪切断面率低，分析认为焊接热影响区可能发生了局部脆化现象，该试样的冲击缺口恰好经过了该局部脆化区。

综合分析可知：X90级螺旋缝双面埋弧焊管具备优良的低温韧性，但焊接热影响区冲击韧性存在接近标准下限的低值点，可能存在热影响区局部脆化现象。

3 焊接热影响区局部脆化原因分析

焊接热影响区(HAZ)局部脆化是由于在焊接过程中热影响区内的某个非常狭窄区域的韧性受到严重削弱，导致在焊接热影响区中存在着一个局部脆性区。单道焊的粗晶区脆化和多道焊的临界粗晶区脆化是管线钢两种主要的局部脆化型式^[1]。相对于管线钢母材来说，粗晶区的局部脆化使管线钢韧性损失可达50%，临界粗晶区的局部脆化使管线钢韧性损失可达70%，对管线钢管焊接接头的性能将造成很大影响，严重影响管道安全运行。

对粗晶区和临界粗晶区的脆化机理研究发现，局部脆化区有效晶粒尺寸对韧性的有重要影响，但更主要的因素是局部脆化区的韧性与M/A组元（马氏体/奥氏体组织）含量及其形状和大小密切相关^[2]，M/A组元促使局部脆化区韧性降低，随着大颗粒M/A组元的增多，局部脆化区韧性显著降低。M/A组元存在于高强度管线钢管焊接接头的各个区域，对焊接接头的性能有重要影响。M/A组元的存在会引起局部脆化，但在不同的接头区域其分布形式、外观形状、尺寸大小、体积分数等均不相同，因此对韧性的影响程度也不尽相同。

3.1 焊接接头各微区M/A组元分析

为详细了解焊接热影响区各微区显微组织中M/A组元的详细状况，对冲击功出现低值的钢管取焊接接头试样，采用莱佩拉试剂侵蚀后对粗晶区、细晶区、临界粗晶区做进一步观察、分析。

用莱佩拉试剂腐蚀后，在光学显微镜下观察，可以更清楚的观察到M/A组元，基体组织呈棕色、灰色或者灰黑色，M/A组元呈白色；M/A组元形貌如图1所示。

图1(a)粗晶区的M/A组元体积占比小，且均匀弥散分布，颗粒较小与图1(b)细晶区相比增大不明显；图1(b)细晶区内的M/A组元均匀弥散分布，颗粒细小，M/A组元含量图与1(a)粗晶区相比差别不大；图1(c)临界粗晶区M/A组元颗粒粗大，M/A组元体积占比与图1(a)粗晶区和图1(b)细晶区相比明显增大，且沿晶界呈链状连续分布。

图1 M/A组元形貌

3.2粗晶区局部脆化

通常认为晶粒粗化是粗晶区局部脆化的首要因素，粗晶区组织见图2。

图2 粗晶区组织

从图2可以看出，X90级双面埋弧焊管焊接粗晶区的显微组织，主要由粒状贝氏体(GB)和贝氏体铁素体(BF)及少量细小且弥散的M/A组成。图2中，粗晶区奥氏体晶粒粗大、晶界清晰，且奥氏体晶界并没有明显的铁素体析出，也没有产生颗粒粗大的M/A组元，说明焊接热输入不大。晶粒内板条状组织明显，强度较高。低碳微合金高强度管线钢中这些板条间没有碳化物等脆性相，只存在着富碳的薄膜状或针状的M/A组元，可以在一定程度上阻碍裂纹的扩展，对韧性有利；粗晶区中M/A组元量少，颗粒细小且弥散分布；这种细小且弥散的M/A组元，可以阻止裂纹的扩展，在一定程度上弥补由于晶粒粗大而导致的韧性降低，颗粒粗大的M/A组元对韧性不利；另外因为X90级管线钢采用低碳微合金化设计，粗晶区并没有出现脆硬的马氏体，所以X90级双面埋弧焊管的粗晶区韧性并没有出现单道焊粗晶区常发生的局部脆化现象。冲击韧性试验大部分冲击功数值都比较高，说明X90级双面埋弧焊管的焊接粗晶区韧性并不差。

3.3临界粗晶区局部脆化

双面埋弧焊管焊接HAZ的临界粗晶区是内焊HAZ的粗晶区受到外焊热循环的影响，在A_C1-A_C3之间受到再次加热而形成的双热影响区中的一个亚区，其在热影响区的具体位置即图3中7a。

临界粗晶区是HAZ中最薄弱的区域，同时临界粗晶区也是广为接受的局部脆化区，当一次粗晶区再加热的峰值温度在临界区(α+γ)范围内的时候(800℃)，X90级双面埋弧焊管临界粗晶区韧性最低，从而表现为临界粗晶区的局部脆化现象。

临界粗晶区脆化是由于二次热循环的峰值温度在两相区内造成了碳向M/A组元偏聚^[3]，使M/A组元进一步硬化，从而导致变形过程中M/A岛极易与基体分离，造成韧性急剧降低。

焊接一次热循环所形成的粗晶区的奥氏体晶粒粗大、板条界明显，这为临界粗晶区形成较为粗大的M/A组元提供了较充足的条件，且一次热循环所形成的非平衡组织具有一定的位相性，使碳原子容易定向扩散，从而促使碳浓度分布不均匀。M/A组元是粗晶区在后续道次中被再加热到临界区温度区间(Ac₁-Ac₃)内，少量逆转奥氏体沿原奥氏体晶界形核，在此过程中周围的碳富集到逆转组织中使逆转奥氏体稳定化，在较慢冷速下也不发生分解或者只发生少量的分解，从而在冷却到Ms点以下后转变成为马氏体并有少量的残余奥氏体，即M/A组元。

微合金高强度管线钢焊接接头的临界粗晶区中M/A组元有多种形貌，有岛状M/A、长条状M/A及连续分布的块状M/A等。M/A的断裂和M/A与基体分离都能成为脆性裂纹的形核中心，长条状M/A相比于块状更容易与基体分离，而块状M/A则更容易发生断裂，尤其是当块状M/A的尺寸较大时。由于M/A的形成过程中马氏体相变会产生体积的膨胀，因此M/A组元的周围就有残余应力的存在，且相变过程中产生的残余应力得不到释放，而在变形过程中由于M/A中未经回火的马氏体比周围基体的硬度高，又会产生应力集中，所以M/A会成为脆性裂纹的起源。当两个M/A组元距离较近时两个M/A颗粒的应力场会相互叠加，从而产生更大的应力集中。因此，如果M/A组元间呈链状分布或者以其他距离较近的方式分布，那么就更容易导致脆性裂纹的萌生和扩展。

M/A组元是微合金高强度管线焊接接头中普遍存在的一种显微组织，但唯独在临界粗晶区特殊热过程中形成的M/A组元使材料的韧性严重恶化，这与二次焊接热循环过程中临界粗晶区所形成的M/A组元的组织形态关系紧密，这种M/A组元是高度富碳、粗大的组织单元。经历过第二道次焊接热循环影响，临界粗晶区的M/A组元颗粒明显变得粗大。从图1(e)可以看出临界粗晶区奥氏体晶粒粗大、且粗大的M/A组元在晶界连续分布，形成链状M/A组元。引起局部脆化的最主要的因素不是M/A组元的形状，而是M/A组元的尺寸（平均弦长）；粗大的M/A组元的是导致临界粗晶区局部脆化的最主要因素，成链状分布在原奥氏体晶界处的粗大M/A组元对韧性的恶化最为严重^[4]。

因所有冲击试验结果都满足标准要求，且绝大部分HAZ冲击功远高于标准要求的单值下限，仅一个热影响区冲击试样的冲击功为66J，接近标准规定的下限点。因焊接过程中规范参数稳定，未发生明显变化，取自同一位置相邻试样的HAZ冲击功出现如此大的波动，可排除热输入变化的影响。

通过电子显微镜(SEM)对冲击功大小不同的焊接热影响区冲击断口形貌进行分析，如图4所示。

图4(a)（冲击功224J）的HAZ冲击试样断口的SEM形貌主要为抛物线韧窝，韧窝被拉长，部分区域韧窝消失，存在孔洞和大的第二相粒子，但扩展区未观察到解理断裂区。而图4(b)（冲击功66J）的HAZ冲击试样的断口则为明显的解理断裂特征且解理面尺寸较大，在部分区域可观察到放射状花纹。当冲击试样的V型槽经过临界粗晶区时，会出现韧性值剧降的现象，所以可能该试样缺口位置经过了临界粗晶区，才导致韧性大幅度下降。

4 结论及改善措施

4.1结论

X90级管线钢埋弧焊焊接热影响区的临界粗晶区在特殊热过程中形成的粗大的M/A组元的是导致临界粗晶区局部脆化的最主要因素，成链状分布在原奥氏体晶界处的粗大M/A组元对韧性的恶化最为严重。

4.2工艺措施

由于焊接热输入对焊接热影响区的宽窄及组织变化有较大影响^[5]，同一种熔焊方法，热输入增大时，热影响区宽度增加，并且临界粗晶区的区域也随着热输入的增大而增大。降低焊接热输入是改善焊接热影响区局部脆化的有效途径，为了改善焊接热影响区的局部脆化现象，需要在确保焊缝外观形貌及内在质量的情况下，降低焊接热输入，减小HAZ的范围，从而改善热影响区局部脆化现象。

参考文献

[1] 闫凯鹃，郝世英，高惠临.管线钢焊接局部脆化及其研究进展[J]．化工设备与管道，2011，48(3)：57-61．

[2] 李学达．第三代管线钢焊接性能研究[D]．北京科技大学博士学位论文，2015．

[3] 辛希贤，高惠临，徐学利，等．管线钢焊接热影响区在二次热循环中的组织转变与韧性[J]．焊管，1994，17(1)：28-31，49．

[4] 高惠临，董玉华，王荣．管线钢焊接临界粗晶区局部脆化现象的研究[J]．材料热处理学报，2001，22(2)：60-64．

[5] 黄少波，胡强，杨眉，等．焊接热输入对X90管线钢焊接接头组织与性能的影响[J]．金属热处理，2017，42(1)：55-59．

作者简介：吴金梅(1978-)，女，硕士研究生，讲师，国际焊接工程师，长期从事焊接教学及科研工作。