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(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.安徽電力工程監(jiān)理有限公司 安徽 淮北 235000)

·試驗(yàn)研究·

焊接接頭試樣斷裂強(qiáng)度及位置分析

張華佳1，李娜1，陳康2，范煒1，莫子雄1，張庶鑫1，任繼承1

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.安徽電力工程監(jiān)理有限公司 安徽 淮北 235000)

統(tǒng)計(jì)了大量焊接接頭試樣和母材試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以某X65直縫埋弧焊管為例，進(jìn)行了力學(xué)、金相等方面的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行初步的探討及合理的解釋。根據(jù)研究結(jié)果可以看到，焊接接頭試樣斷裂位置一般位于焊縫和母材的過渡區(qū)，這與熔合區(qū)及熱影響區(qū)的組織和性能較差有關(guān)。且無論斷于何處，焊接接頭強(qiáng)度一般大于母材強(qiáng)度，推測是由于焊接或者焊后的相關(guān)熱處理及加工硬化等因素導(dǎo)致。

焊接匹配；管線鋼；強(qiáng)度；熱影響區(qū); 斷裂

0 引 言

在對(duì)石油管材拉伸試樣進(jìn)行的檢測試驗(yàn)中，通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，很多同管段焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度都大于管體母材試樣的抗拉強(qiáng)度，且焊接接頭試樣大都斷裂于焊縫向母材過渡的區(qū)域。本文以Φ610 mm×19.1 mm X65直縫埋弧焊管為例，通過力學(xué)、金相等相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析，進(jìn)行初步的探討，并對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行解釋，進(jìn)而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提出相關(guān)建議。

1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

1.1 焊接接頭及母材拉伸結(jié)果

在對(duì)焊接接頭試樣及管體母材試樣日常的檢測實(shí)驗(yàn)中，選取了一些有代表性的數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表1所示。

由表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，在對(duì)X65、X80、L485MS、L245等材料的拉伸試驗(yàn)檢測中，焊接接頭的強(qiáng)度均高于管體母材強(qiáng)度，且焊接接頭試樣斷裂位置大部分位于熔合線、熱影響區(qū)或母材，即焊縫向母材過渡的區(qū)域。這種焊接接頭和管體母材抗拉強(qiáng)度的差異，存在于各種材料，因此和材料種類無關(guān)。表1中不僅有螺旋縫焊管，還有直縫焊管，因此與制管方式也無關(guān)。而對(duì)比表1中第二組X80直縫管的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度差異與試樣的取樣方向和位置(橫向、縱向、角度)也無關(guān)。而本實(shí)驗(yàn)中，由表1(第一組)可以看到，Φ610 mm×19.1 mm X65直縫埋弧焊管焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度比管體母材試樣的抗拉強(qiáng)度高約40 MPa，接近7%，且斷裂位置在熔合線或熔合線旁的母材。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.2 焊接接頭高強(qiáng)度匹配

在理論的焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫與母材在強(qiáng)度上有三種關(guān)系：焊縫強(qiáng)度等于母材(等強(qiáng)匹配)，焊縫強(qiáng)度超出母材(超強(qiáng)匹配，也稱高強(qiáng)匹配)及焊縫強(qiáng)度低于母材(低強(qiáng)匹配)，通過本文表1中所列材料的拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，焊接接頭抗拉強(qiáng)度都高于母材強(qiáng)度，考慮到等強(qiáng)匹配可能會(huì)造成超強(qiáng)的效果，本文實(shí)驗(yàn)的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)該為等強(qiáng)匹配或高強(qiáng)匹配。這樣可以保證焊接接頭的室溫抗拉強(qiáng)度不低于母材金屬的室溫抗拉強(qiáng)度，使焊接接頭靜載拉伸最終斷在母材上，從而在實(shí)際應(yīng)用中保證焊接接頭的安全[1]。

2 理化實(shí)驗(yàn)分析

2.1 X65試樣外觀

本文以表1中第一組實(shí)驗(yàn)X65試樣為例進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)中，一組試樣為焊接接頭，如圖1和圖2所示。一組試樣為管體母材180°橫向，如圖3和圖4所示。焊接接頭試樣和管體母材試樣都取自同一管段，因此材料來源是相同的。由圖1中可以看到，本實(shí)驗(yàn)中焊接接頭試樣的斷裂位置位于熱影響區(qū)或焊縫旁的母材，即焊縫向母材過渡的地方，而在表1中其它的焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)中，大部分試樣的斷裂位置也是在這個(gè)過渡區(qū)。

圖1 焊接接頭斷裂外觀

圖2 焊接接頭斷斷口

圖3 管體母材斷裂外觀

圖4 管體母材斷口

2.2 金相分析

為了對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行探究，首先對(duì)焊接接頭斷口處的試樣進(jìn)行了金相顯微組織方面的分析。如圖5和圖6所示，1號(hào)試塊為管體母材斷裂處切割的取樣，2號(hào)試塊為焊接接頭焊縫處的取樣，A面為焊縫連接的母材面，B面為焊縫的垂直切割面，3號(hào)試塊為焊接接頭拉伸試樣斷裂處母材一側(cè)。

對(duì)試塊進(jìn)行金相顯微組織的分析，結(jié)果如表2和圖7～圖12所示。

圖5 斷口取樣試塊

圖6 斷口取樣示意圖(上為管體，下為焊接接頭)

表2 金相試驗(yàn)結(jié)果

圖7 1#組織

圖8 2#焊縫組織

圖9 2#熔合區(qū)組織

圖10 2#細(xì)晶區(qū)組織

圖11 3# B類超尺寸夾雜物

圖12 3#組織

2.3 硬度分析

對(duì)其中一根焊接接頭試樣進(jìn)行硬度方面的分析，得到結(jié)果如表3、圖13和圖14所示。

如圖13所示，在焊接接頭截面外焊側(cè)距表面 2 mm處、試樣中心和內(nèi)焊側(cè)距表面2 mm處從左至右依次測試13個(gè)位置，測試結(jié)果見表3，圖14為硬度變化曲線。

表3 維氏硬度(HV10)試驗(yàn)結(jié)果

圖13 焊接接頭硬度測試點(diǎn)

圖14 焊接接頭硬度變化曲線

在圖13中，1點(diǎn)、2點(diǎn)、12點(diǎn)、13點(diǎn)為母材區(qū)域，3點(diǎn)、4點(diǎn)、5點(diǎn)、9點(diǎn)、10點(diǎn)、11點(diǎn)為熱影響區(qū)和熔合區(qū)，6點(diǎn)、7點(diǎn)、8點(diǎn)為焊縫。由圖14可以看到，焊接頭硬度值在焊縫處最高，這是由于焊縫區(qū)在冷卻過程中，過冷度較大，晶粒就會(huì)變細(xì)，相當(dāng)于做了淬火處理。而熱影響區(qū)附近出現(xiàn)下降現(xiàn)象，是由于焊接熱輸入的不穩(wěn)定造成了焊接時(shí)熱量散發(fā)不出去，加速冷卻期間的冷卻速率高于焊接過程的冷卻速率，熱影響區(qū)出現(xiàn)較粗大的粒狀貝氏體與鐵素體，混合區(qū)域組織成分分布不均，導(dǎo)致了出現(xiàn)硬度低的軟化現(xiàn)象[2]。

3 焊接接頭組織結(jié)構(gòu)分析

3.1 焊接接頭分類

焊接是通過加熱或者加壓，用或不用填充材料，使兩個(gè)分離的工件，結(jié)合起來的工藝流程。焊接按工藝特點(diǎn)可分為熔焊，壓焊和釬焊。管線鋼中，埋弧焊是很常見的焊接方式，分為單面和雙面埋弧焊。埋弧焊基本原理如下：焊接電弧在焊劑層下進(jìn)行燃燒，使焊劑熔化、蒸發(fā)，形成氣體，在電弧周圍形成封閉空腔。由焊絲不斷送入，以熔滴狀進(jìn)入熔池，與熔化的母材金屬混合，隨著焊接電弧向前移動(dòng)，金屬熔池也隨之移動(dòng)，失去了加熱源的金屬溶液逐漸冷卻形成焊縫，最終完成連接。

因此，焊接接頭是基體金屬與熔融的填充金屬熔化凝固而形成的不均勻體。根據(jù)各部分的組織與性能的不同，焊接接頭可分為焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三個(gè)部分。如圖15所示，區(qū)域1為焊縫區(qū)，區(qū)域2為熔合區(qū)，區(qū)域3、4、5、6為熱影響區(qū)。

焊縫區(qū)是母材金屬與填充金屬熔化后又快速冷凝而成。成分為鑄態(tài)組織，晶粒粗大，組織不致密。但可通過調(diào)整合金元素含量，使其滿足性能要求[3]。

熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫金屬與熱影響區(qū)的交界處，熔化區(qū)和非熔化區(qū)之間的過渡部分。熔合區(qū)化學(xué)成分不均勻，往往是粗大的過熱組織或粗大的淬硬組織，微觀組織和力學(xué)性能極不均勻。熔合區(qū)的特點(diǎn)是：1)幾何尺寸??； 2)成分不均勻；3)空位密度高；4)殘余應(yīng)力大；5)晶界液化嚴(yán)重。因此熔合區(qū)還常常是脆性斷裂和焊接裂紋的發(fā)源地，是焊接接頭的最薄弱區(qū)。

熱影響區(qū)是在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。管線鋼一般屬于低碳鋼，低碳鋼的熱影響區(qū)可分為過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)和再結(jié)晶區(qū)。1)過熱區(qū)。也稱為粗晶區(qū)，溫度在固相線至1 100℃之間，寬度約1～3 mm。焊接時(shí)，該區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌性明顯下降，是熱影響區(qū)中機(jī)械性能最差的部位。2)正火區(qū)。也稱為細(xì)晶區(qū)，溫度在1 100℃～Ac3之間，寬度約1.2～4.0 mm。焊后空冷使該區(qū)內(nèi)的金屬相當(dāng)于進(jìn)行了正火處理，故其組織為均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，正火區(qū)的機(jī)械性能較好，力學(xué)性能可能優(yōu)于母材。3)部分相變區(qū)。也稱部分正火區(qū)，最高加熱溫度從Ac1至Ac3的區(qū)域。焊接時(shí)，只有部分組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體，其余部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學(xué)性能也較差。4)再結(jié)晶區(qū)。如果母材焊前經(jīng)過冷加工變形，溫度在Ac1～450℃之間，則有再結(jié)晶區(qū)，反之，則沒有。該區(qū)域金屬的力學(xué)性能變化不大[4]。

(1焊縫區(qū)；2熔合區(qū)；3過熱；4正火；5部分相變區(qū)；6再結(jié)晶)圖15 焊接接頭圖示意圖

3.2 斷裂位置的金相組織分析

表1中各個(gè)拉伸實(shí)驗(yàn)的斷裂位置基本都發(fā)生在熔合線或者熱影響區(qū)，少部分由于焊接工藝不好或者焊劑選材不好，發(fā)生在焊縫。由圖2可以看到，本文X65拉伸試樣的斷裂位置位于焊縫和母材相連的過渡區(qū)，但斷口形狀并不規(guī)則，呈鋸齒狀，裂縫則延伸到了焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材。拉伸斷口中存在大量韌窩和少量孔坑，為宏觀塑性的微孔聚集型斷裂。

本文實(shí)驗(yàn)中，斷裂發(fā)生在焊縫和母材的過渡區(qū)域，是有合理原因的。首先，焊縫金屬是由焊絲和母材熔化形成的熔池冷卻而成。焊縫金屬在結(jié)晶時(shí)，以半熔化的金屬晶粒為晶核，沿著垂直于散熱面方向反向生長為柱狀晶，當(dāng)這些柱狀晶在焊縫中心相接觸時(shí)停止生長。從圖中可以看到，焊縫含有針狀鐵素體組織，這使得焊接接頭具有良好的韌性。且焊縫組織較均勻，含缺陷少。另外，由于焊絲本身的雜質(zhì)含量低及合金化作用的原因，使得焊縫化學(xué)成分優(yōu)于母材，力學(xué)性能高于母材，故不易被拉斷。本文拉伸實(shí)驗(yàn)中，斷裂位置未在焊縫，也證明了焊縫具有足夠高的抗拉伸斷裂能力[5]。

據(jù)相關(guān)研究得知熱影響區(qū)附近的裂紋一般起源于焊接時(shí)液固交界的地方，即熔合區(qū)和熱影響區(qū)。而本文實(shí)驗(yàn)中的斷裂區(qū)域，覆蓋了熔合區(qū)和熱影響區(qū)，也印證了這個(gè)理論。

從圖9中也可以看到，熔合區(qū)的晶粒粗大，為粗大的貝氏體粒，在前文中可以看到，熱影響區(qū)和熔合區(qū)有著組織和成分分布復(fù)雜、晶粒粗大、晶粒間結(jié)合力弱等特點(diǎn)，因此力學(xué)性能差，最容易產(chǎn)生裂紋，過渡區(qū)顯微組織的不均勻和微小變化又進(jìn)一步導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣開裂。這也直接導(dǎo)致韌性下降，力學(xué)性能不好，容易導(dǎo)致開裂。

可以看到，在其它大量的拉伸實(shí)驗(yàn)中，斷裂位置一般也容易發(fā)生在焊縫和母材連接的區(qū)域，有可能是熔合區(qū)，有可能是熱影響區(qū)，也有可能是相鄰的母材區(qū)域，這與焊縫母材過渡區(qū)的顯微組織特點(diǎn)是有很大關(guān)系的[6]。

3.3 夾雜物分析

由圖11中可以看到有B類超尺寸夾雜物的存在，由于夾雜物出現(xiàn)在熱影響區(qū)附近，推測夾雜物的存在，也會(huì)也會(huì)影響材料性能，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和斷裂。

在焊接過程中，經(jīng)常出現(xiàn)夾雜和氣孔。夾雜和氣孔不但削弱了焊縫的有效截面，降低焊縫的強(qiáng)度和韌性，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)材料強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，所以在鋼管生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免或減少。

氣孔是焊接過程中焊接產(chǎn)生的氣體或者外部的氣體進(jìn)入熔池，氣體上浮速度小于熔池凝固速度，因而氣體被凝固的金屬包裹，形成氣孔[7]。

夾雜的產(chǎn)生主要有兩個(gè)來源，一個(gè)是鋼板攜帶的雜物或者焊劑中的雜質(zhì)，由于熔池冷卻速度過快或溫度低，來不及析出而形成。一個(gè)是熔池冶金反應(yīng)中生成的氧化物和硫化物顆粒，由于結(jié)晶過程凝固較快，來不及浮出而殘存于焊縫內(nèi)部，比如FeS、MnS、SiO2等，它們呈彌散狀態(tài)分布，以呈片狀或鏈狀析集于晶界，促生熱裂紋，降低韌性，對(duì)焊縫的危害較大。

另外，焊縫中的偏析也可以導(dǎo)致裂紋，熔池在結(jié)晶過程中，冷卻速度過快會(huì)造成焊縫金屬中的元素來不及擴(kuò)散，從而造成化學(xué)成分分布不均勻，這種溶質(zhì)元素的不均勻分布稱為偏析。焊縫中的偏析主要有顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析等。晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學(xué)成分不均勻被稱為顯微偏析，通常合金元素含量越高就越容易出現(xiàn)。焊縫中心的雜質(zhì)高于其它部位稱為區(qū)域偏析，一般而言，窄而深的焊縫區(qū)域偏析會(huì)比較嚴(yán)重，且容易產(chǎn)生熱裂紋。層狀偏析是指柱狀結(jié)晶方向上雜質(zhì)濃度的差別[8]。

正是由于焊縫及周圍夾雜、氣孔、偏析、未焊透等缺陷的存在，使得焊接接頭的疲勞強(qiáng)度低于母材，焊接接頭的焊縫及與母材相連接處容易發(fā)生破壞，從這個(gè)角度也可以解釋本文拉伸試樣斷裂在過渡區(qū)的原因。

為了減少雜質(zhì)，偏析等缺陷，可以從清理干凈油污鐵銹，控制焊接熱量、選擇適當(dāng)焊接速度、調(diào)節(jié)焊道的寬度和深度、提高冷卻速度以防止雜質(zhì)聚集等方面入手[9]。

4 焊接接頭斷裂處的強(qiáng)度及位置分析

4.1 塑性變形引起的強(qiáng)度升高

在本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，焊接接頭的強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度，從力學(xué)角度分析，鋼板在制管的過程中，或在焊接之前的卷曲過程中，會(huì)有塑性變形。而在之后的在定徑的過程中，焊縫和母材連接處屬于過渡區(qū)域，最易出現(xiàn)較大變形，從而引起加工硬化。加工硬化指金屬材料隨著冷變形程度的增加，導(dǎo)致晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，強(qiáng)度和硬度指標(biāo)提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。因此這種加工硬化也可能導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度的升高。

在鋼管擴(kuò)徑時(shí)，如果沒有將焊縫放進(jìn)擴(kuò)徑槽中，導(dǎo)致在擴(kuò)徑時(shí)應(yīng)力應(yīng)變向接頭過渡處聚集，由于包辛格效應(yīng)，使鋼管的強(qiáng)度上升，韌性下降，這也是焊接接頭強(qiáng)度大于母材試樣強(qiáng)度的原因之一[10]。

4.2 應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂

焊接接頭的焊縫形狀會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，容易引起不同的應(yīng)力分布。在焊縫表面與母材交界處，即焊趾處，最容易引起應(yīng)力集中。在應(yīng)力作用下，容易形成裂源，萌生顯微裂紋，進(jìn)而裂紋尖端形成三向應(yīng)力區(qū)，擴(kuò)展最后成為宏觀裂紋，導(dǎo)致斷裂[11]。

在焊接過程中，局部加熱會(huì)造成溫度場不均勻，且不同組織比熱容不同，容易引起局部塑性變形，導(dǎo)致在焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)分析，焊縫和熱影響區(qū)殘余應(yīng)力較大，離開焊縫和熱影響區(qū)則殘余應(yīng)力逐漸降低。

在高匹配強(qiáng)度下，隨著焊縫強(qiáng)度升高，熱影響區(qū)縱向應(yīng)力增加，以至于高于母材強(qiáng)度。因此，焊縫材料強(qiáng)度過大，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而過高的焊縫強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)應(yīng)力增加，出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增大。

另外，焊縫和母材交接的地方，處于焊縫高強(qiáng)度向母材低強(qiáng)度過渡的區(qū)域，在拉伸過程中，會(huì)導(dǎo)致局部強(qiáng)度的不均勻，從而導(dǎo)致斷裂容易發(fā)生在此區(qū)域。

5 結(jié) 論

1)在高匹配強(qiáng)度設(shè)計(jì)的焊接接頭斷裂實(shí)驗(yàn)中，由于焊劑選材、焊接后金相組織和力學(xué)結(jié)構(gòu)等方面的差異，焊縫拉伸強(qiáng)度會(huì)高于純母材。

2)在焊接熱循環(huán)作用下，管線鋼的熔合區(qū)及焊縫熱影響區(qū)常發(fā)生組織晶粒粗大和韌性下降，容易造成焊接接頭開裂。因此，焊接接頭斷裂位置一般位于焊縫向母材的過渡區(qū)。

3)為了提高焊接接頭的力學(xué)性能，充分的焊接性能研究和合理的焊接工藝規(guī)范很重要。例如，預(yù)熱時(shí)對(duì)冷卻速度和保溫停留時(shí)間進(jìn)行控制，可減小焊接應(yīng)力；由于焊接電流與熔池溫度成正比，電流大小決定了焊縫力學(xué)性能，可以適當(dāng)調(diào)整焊接電流參數(shù)，以期得到均勻大小的焊縫晶粒，提高焊縫性能；通過調(diào)整均熱區(qū)寬度，加熱區(qū)寬度和保溫區(qū)寬度這三個(gè)參數(shù)，進(jìn)行合理的焊后熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力[12]。

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FractureStrengthandLocationAnalysisofWeldedJointSpecimen

ZHANGHuajia1,LINa1,CHENKang2,FANWei1,MOZixiong1,ZHANGShuxin1,RENJicheng1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an,Shaanxi710077,China；2.AnhuiElectricPowerEngineeringSupervisionCo.Ltd.,Huaibei,Anhui235000,China)

Taking the X65 LSAW as example, lots of experimental data of welded joint specimens and parent metal specimens is used for statistical analysis. Some mechanical and metallurgical experiments are conducted to further discuss, and the reasonable explanation is given. According to the research result, it is concluded that the fracture location of the welded joint specimens is located in the transition zone, which is related with the microstructure and poorer mechanical properties of the fusion zone and heat affected zone. Due to heat treatment during or after the welding and the work hardening，no matter where the fracture happens, the strength of the welded joint is generally greater than that of the parent metal.

weld matching; pipeline steel; strength; heat affected zone; fracture

張華佳，男， 1984年生，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管檢測及研發(fā)工作。E-mail：313339790@qq.com

TE921

B

2096-0077(2017)04-0014-07

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.005

2017-04-10編輯馬小芳)