焊接粗晶区的热模拟研究

焊接粗晶区的热模拟研究

1管道结构及焊接热影响区石油天然气管道钢是依靠经济发展而依赖于重要钢铁材料的重要钢铁材料。其生产水平和性能是衡量国家钢铁工业发展水平的重要标志。高压、大输量和大管径的管线输送,现已成为管线建设的主要发展趋势。由于管线钢承担着输送石油、天然气以及其它易燃易爆介质的任务,而且常在低温等恶劣的环境下服役,因此如何保证管道的强度和韧性,尤其时低温韧性,是保证管道安全运行的主要因素之一。自X52、X60、X65、X70成功的应用于石油、天然气的输送管道以来,X80也正处于开发和试用阶段。X80属于低碳微合金控轧控冷钢,含碳量及碳当量较低,淬硬倾向、氢致裂纹敏感性较低,但与X70管线钢相比,仍具有较大的冷裂倾向;同时在焊接过程中,母材和焊接材料发生强烈的冶金反应,可能在焊接区产生缺陷或形成粗大组织使接头的力学性能下降。因此X80钢的焊接主要考虑裂纹问题和HAZ脆化问题。焊接热影响区是组织和性能极不均匀的区域,尤其粗晶区是焊接接头的薄弱环节。焊接热影响区脆化往往是造成管线发生断裂,诱发灾难性事故的原因。本文综合考虑了线能量、预热温度和板厚三个工艺参数,模拟不同焊接热循环条件下的焊接HAZ粗晶区,分析X80钢焊接HAZ的组织转变与力学性能,为合理的选择焊接工艺参数提供实验依据。2试验材料和方法2.1试验材料试验材料为日本产的X80管线钢,其化学成分见表1。2.2焊接热循环参数的确定线能量、预热温度和板厚是影响HAZ的组织与性能变化的三个主要因素。试验中采用一次回归正交方法,利用均衡搭配和综合可比性两条基本原理,可以有计划、合理地在正交表上安排较少的试验次数;另一方面利用回归分析可以确定各因素对结果影响的显著水平。一次回归正交试验方案见表2。为得到准确的热循环参数,试验中还对表2中选用不同焊接参数时的焊接热循环进行了测定。选用的焊接设备为MillerDimension372焊机,80%Ar+20%CO2气体保护,热效率为0.75,焊接工艺参数见表3。测定热循环的装置为热电偶和X-Y记录仪;试样规格为300mm×300mm,板厚分别为12,18.5,25mm。将试验测定的焊接热循环曲线数据输入Gleeble-1500热模拟试验机,模拟焊接粗晶区。试样规格为10.5mm×10.5mm×80mm。2.3显微组织观察和试验对热模拟后的试样在OLYMPUSGX-51光学显微镜和XL-30PHILIPS扫描电镜下进行显微组织观察。按照GB4159—84《金属低温夏比(V型缺口)冲击试验方法》,在JB-30B冲击试验机上进行测定各试样的冲击韧性。试件尺寸为10mm×10mm×55mm,冲击试验温度-20℃。3试验结果3.1显微外科对各试样的显微组织观察表明,焊接粗晶区得到的组织类型主要为贝氏体,具有板条状和粒状两种形态(见图1)。3.1.1小线能量下8kj/cm在预热温度和板厚相同的条件下,采用不同线能量时焊接粗晶区的组织形态见图2。由图2可以看出,大线能量(16kJ/cm)条件下,晶粒粗化严重,板条状贝氏体含量较多,粒状贝氏体含量较少。而小线能量下(8kJ/cm)试样中晶粒较细,粒状贝氏体明显增多,板条变细,变短。这是因为线能量越大,高温停留时间越长,一次晶粒有足够的时间长大,而一次晶粒的增大必将引起组织的粗化;同时线能量增大减慢了冷却速度,使其组织构成和形态均发生变化。3.1.2相组织随板厚的变化在预热温度和线能量都相同的条件下,X80钢焊接粗晶区的金相组织随板厚的变化见图3。由图3可以看出,随着板厚的减少,粒状贝氏体含量增加,而板条束贝氏体含量减少;同时晶粒粗化,这是因为板厚减小引起高温停留时间增长和冷却速度减慢的缘故。3.1.3冷却温度对微组织的影响在相同线能量和板厚条件下,不同预热温度下的试样的显微组织见图4。由于预热温度提高,冷却速度减慢,而高温停留时间变化不显著。因此随着预热温度提高,晶粒大小变化不大,而粒状贝氏体含量增加,板条束贝氏体含量减少。3.2各因素响应面的方差分析热模拟试样的冲击功见表4。由此可以看出与母材相比(334J),经历焊接热循环后粗晶区的韧性值大大降低。6号试件的韧性最好,其次依次为8、9、5、7、3、4、1号,最低的是2号试件。用WMCAD软件对模型进行回归分析得出各因素回归系数的显著性检验结果:线能量对韧性的影响最为显著,其次是预热温度,板厚的影响最小。因此采用小线能量(8kJ/cm)的试样(5～8号)低温韧性均高于大线能量试样(1～4号);同时小线能量焊接时选较高的预热温度,大线能量下选较低的预热温度,也使冲击韧性有所提高。4改变冷冲压工艺条件对晶粒的影响X80管线钢的原始组织为细小的针状铁素体组织,其特征为细小的非等轴铁素体基体上分布着一些超细的碳化物和M/A岛,铁素体片彼此咬合,交错分布,而片内具有高的位错密度和亚结构;同时第二相粒子的沉淀物(微合金元素的碳氮化物)对位错有钉扎作用,并且弥散的分布在基体上,从而有效的提高了韧性。而经历焊接热循环后,粗晶区的韧性大大下降,且不同焊接工艺条件下的焊接粗晶区的韧性值也有显著区别,除受晶粒粗化的影响外,贝氏体的组织形态对韧性的影响非常显著。6号试样的冲击韧性最为优越,由图2(b)可以看出,在小线能量(8kJ/cm)和适当的预热温度(140℃)下,该试样焊接粗晶区的晶粒较细,组织由板条贝氏体和一定量的粒状贝氏体构成。一定量的粒状贝氏体的存在起到了分割板条贝氏体的作用,使具有相同取向的贝氏体板条变细变短(见图5(a))。同时板条的边界在低温断裂过程中有效的阻碍裂纹扩展,因为当裂纹扩展到板条边界时将发生弯折。除此之外,由图2(b)还可以看出该工艺条件下形成的粒状贝氏体上的岛状第二相物质较细小,且弥散分布在铁素体的基体上,也有利于改善韧性。与6号试样相比,8号试样仅采用了不同的预热温度,与线能量的影响相比,预热温度对冷却速度和高温持续时间的影响均较小,因此二者组织类型和状态相似,但是由于8号的预热温度较低,粒状贝氏体的含量稍低于6号,使韧性稍稍下降。同理,5号试样和7号试样与6号试样比,由于其工艺条件的不同导致了冷却速度加快,晶粒细化,但是其转变后的组织中粒状贝氏体的含量的下降,对板条贝氏体的分割作用更弱,且板条连续,宽度、长度较大,方向性较强,冲击韧性下降。当采用大线能量(1～4号试样)时,冷却速度减慢造成了奥氏体晶粒严重长大,而且转变后的组织中板条束状的贝氏体含量显著增多,粒状贝氏体的含量较少,少量的粒状贝氏体对板条束贝氏体分割作用较弱,板条更粗大平行,方向性强,几乎贯穿整个原始A晶粒,与小线能量相比,韧性显著下降。2号试样的板厚最小而预热温度较高,因此高温持续时间最长,冷却速度最慢,奥氏体晶粒粗大,板条束贝氏体的长度、宽度更大,极少量的粒状贝氏体对板条几乎不存在分割作用(见图5(b)),韧性最差。5保险板条制备前后粒度不同时点胶结充填体含量随热(1)不同焊接参数条件下,各试样的组织类型均为贝氏体,具有板条束贝氏体和粒状贝氏体两种形态。在其它参数相同的条件下,采用小线能量时,焊接粗晶区的晶粒细,转变后的组织中粒状贝氏体含量较多,板条贝氏体含量少且板条的长度、宽度较小。而且小线能量条件下,随板厚增加,粒状贝氏体含量减小,