趙金蘭 ， 雷俊杰 ， 王高峰 ， 聶向暉

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

高頻直縫電阻焊管（HFW）是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)將管坯邊緣加熱到焊接溫度進(jìn)行擠壓、焊接而成[1-2]。焊接過(guò)程造成了堆焊熱循環(huán)峰值溫度在管坯開(kāi)口邊緣的梯度分布[3]，出現(xiàn)熔化區(qū)、部分熔化區(qū)及過(guò)熱組織區(qū)等特征區(qū)域，焊縫周?chē)姆瞧胶饨M織及粗大組織對(duì)焊管的性能產(chǎn)生了不利的影響；要保證焊縫質(zhì)量，需合理控制焊接工藝，并進(jìn)行焊后熱處理，使其達(dá)到所需的使用性能。

HFW焊管的焊縫和熱影響區(qū)是整個(gè)焊管的薄弱和危險(xiǎn)區(qū)域，除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和塑性外，還應(yīng)具有足夠的韌性。夏比沖擊韌性是HFW焊管最重要的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。本研究對(duì)某X60級(jí)HFW焊管進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)引起沖擊韌性異常的原因進(jìn)行了分析，探討了改善焊縫性能的措施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫質(zhì)量的控制。

1 力學(xué)性能

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用某鋼管廠生產(chǎn)的X60級(jí)φ406.4 mm×8.7 mm HFW焊管，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 某X60級(jí)HFW焊管的化學(xué)成分 %

1.2 拉伸試驗(yàn)

在管體90°橫向和焊縫上截取板狀拉伸試樣，試樣寬度38.1 mm，標(biāo)距50 mm。試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 228.1—2010。試驗(yàn)設(shè)備為UH－F500KNI拉伸試驗(yàn)機(jī)，結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，該規(guī)格焊管的拉伸性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 管體90°橫向和焊縫的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3 壓扁試驗(yàn)

截取100 mm長(zhǎng)2根管段，依據(jù)GB/T 246—2007，在SHT4106壓扁試驗(yàn)機(jī)上，將焊縫分別置于 0°和 90°位置， 壓扁到 2D/3， D/3（D=406.4 mm），貼合，均未出現(xiàn)裂紋。

1.4 夏比沖擊試驗(yàn)

在管體90°橫向、焊縫及熱影響區(qū)分別截取V形缺口夏比沖擊試樣，焊縫中心線與沖擊試樣長(zhǎng)度方向垂直，且正好對(duì)準(zhǔn)V形缺口位置。－20℃條件下，依據(jù)GB/T 229—2007，在PSW750沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫沖擊試樣的沖擊功接近于零。

表3 V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

母材、焊縫及熱影響區(qū)的金相顯微組織如圖1所示。

圖1 母材、焊縫、熱影響區(qū)的顯微組織

從圖1可以看出，母材組織為等軸細(xì)小的多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體，晶粒細(xì)小均勻，晶粒度10.6級(jí)，并伴有一定的帶狀組織（見(jiàn)圖1（a））；焊縫組織為貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，其晶粒明顯比母材晶粒大得多，晶粒度10.0級(jí)（見(jiàn)圖1（b））；熱影響區(qū)組織為貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為9.5級(jí)（見(jiàn)圖1（c））；焊縫熔合線完整，焊縫熱影響區(qū)腰鼓型清晰（見(jiàn)圖 1（d））。

2.2 焊縫沖擊斷口的電鏡掃描

對(duì)沖擊韌性異常低的焊縫進(jìn)行電鏡掃描分析，發(fā)現(xiàn)源區(qū)有大量灰斑，擴(kuò)展區(qū)有二次脆性裂紋，如圖2所示。形成灰斑原因多為未熔合或熔融氧化物未能有效排出。未熔合部位的顯微組織也多為 “氧化物夾雜”或 “灰斑”，兩側(cè)為細(xì)小的鐵素體+珠光體，經(jīng)焊縫90°壓扁試驗(yàn)時(shí)，焊縫極容易開(kāi)裂[4]。 本試樣焊縫熔合線完整（見(jiàn)圖 1（d））， 且焊縫0°和90°壓扁試驗(yàn)時(shí)均未開(kāi)裂，可以判斷此灰斑不是由于未熔合而造成的。

對(duì)源區(qū)（圖 2（a））中的灰斑（兩處）進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖4及表4～表5。

圖2 焊縫電鏡掃描結(jié)果

圖3 源區(qū)灰斑1形貌及其能譜圖

圖4 源區(qū)灰斑2形貌及其能譜圖

由圖3～圖4及表4～表5可見(jiàn)，灰斑的主要化學(xué)成分為O，F(xiàn)e，Mn，Si，Ti和Al等。源區(qū)中的灰斑是由于焊接過(guò)程中被氧化的金屬表面層未能有效地被擠出，產(chǎn)生大量氧化物夾雜，這些氧化物或夾雜物偏聚形成灰斑，從而導(dǎo)致焊縫沖擊韌性異常低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使超聲波探傷發(fā)生 “噴標(biāo)”現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。

表4 源區(qū)灰斑1的能譜分析結(jié)果

表5 源區(qū)灰斑2的能譜分析結(jié)果

熔合區(qū)夾雜物未能排出的原因：①焊接時(shí)焊接溫度偏低，金屬層熔化不充分，未能將氧化物夾雜帶出；②鋼管在進(jìn)行高頻對(duì)接焊時(shí)，板邊平行度不好，使得焊接起始點(diǎn)的搭接狀況不理想，成V形或∧形。呈V形搭接時(shí)，阻擋氧化物夾雜的排出；呈∧形搭接時(shí)，內(nèi)側(cè)焊縫的擠出物較少，未能將氧化物夾雜帶出[5-6]；③擠壓輥壓力不足，未能將氧化物夾雜擠出焊縫區(qū)。

由圖2（b）的沖擊試樣擴(kuò)展區(qū)二次裂紋可知，沖擊斷開(kāi)中存在脆性裂紋。追溯脆性裂紋的產(chǎn)生原因，可發(fā)現(xiàn)圖1（a）母材中存在一定的帶狀組織，且局部分布不均勻。帶狀組織一旦進(jìn)入焊縫及熱影響區(qū)，并露出管壁表面，在拉應(yīng)力的作用下，極易導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。另外，由于氧化物夾雜的偏聚形成灰斑，大大降低了焊縫金屬的韌性，增加了低溫脆性。

高頻電阻焊管焊縫沖擊韌性低，可通過(guò)熱處理得到改善。熱處理一般采用在線中頻焊縫熱處理，加熱溫度在Ac3以上50～100℃，可得到細(xì)晶粒的鐵素體+珠光體組織，改善焊縫韌性[1]。

3 焊縫沖擊韌性改善分析

焊接氧化物未能及時(shí)排出形成灰斑缺陷，從而引起疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性等關(guān)鍵指標(biāo)大幅下降，也增加了熱裂紋和層狀撕裂的傾向。可見(jiàn)灰斑是焊縫中的危險(xiǎn)缺陷。為了使焊接時(shí)熔融氧化物充分排出，保證焊縫質(zhì)量，需從以下幾方面加以控制。

（1）合理控制原材料的化學(xué)成分。高頻焊接時(shí)，焊縫中的氧化物多以復(fù)合夾雜物的形式存在，其熔點(diǎn)取決于各種氧化物的相對(duì)含量，當(dāng)氧化物的熔點(diǎn)高于焊接部分的熔點(diǎn)時(shí)，氧化物難以排出而殘留于焊縫，且母材中的Mn和Si含量對(duì)復(fù)合夾雜物的熔點(diǎn)影響較大，應(yīng)嚴(yán)格控制[7]。

（2）有效調(diào)整焊接溫度、焊接速度、焊接擠壓力等成型工藝要素，盡量降低焊接過(guò)程中氧化物的殘留。

（3）控制母材帶狀組織，避免使用帶狀組織嚴(yán)重的母材。

（4）對(duì)焊后鋼管進(jìn)行在線熱處理，控制加熱溫度在Ac3以上50～100℃。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某鋼管廠生產(chǎn)的X60鋼級(jí)HFW焊管焊縫沖擊斷口掃描、能譜分析以及母材金相顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)了焊縫沖擊韌性異常低的原因：

（1）焊接過(guò)程中被氧化的金屬表面層未能有效擠出，產(chǎn)生大量氧化物夾雜，這些氧化物或夾雜物偏聚形成灰斑，是造成焊縫沖擊韌性異常的主要原因；

（2）母材中的帶狀組織降低了沖擊韌性，帶狀組織一旦進(jìn)入焊縫及熱影響區(qū)，并露出管壁表面，在拉應(yīng)力作用下，極易導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂；

（3）焊后熱處理工藝控制不當(dāng)，也會(huì)影響焊縫的沖擊韌性。

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