浙江诸暨 311800
摘要：为了使X80～X120高强度管线钢焊接时获得高强韧性焊接接头，避免产生冷裂纹及热影响区脆化、软化等各种缺陷，针对高强度管线钢的焊接性影响因素进行了分析论述，包括冷裂纹产生的原因及影响因素、管线钢的HAZ软化及脆化影响因素等。重点对管线钢的焊缝与管材的强韧匹配以及管线钢焊接工艺进行了分析研究。研究结果表明，高强度管线钢焊接时，应依据等韧性原则来选用接头的匹配，选择合适的预热温度、含氢量较小的焊接材料、合理的焊接热输入，保证焊接接头具有足够的韧性，满足实际需要。
关键词：高强度管线钢；焊接性；影响
引言
随着管道油气输送技术向高压、大直径方向发展，对管线钢的韧性、强度和焊接性能的要求越来越高，全世界都在关注日益增大的天然气需求及亚洲经济扩张造成的高强度跨国管线的建设与使用问题，因而高等级管线钢的焊接也成为关注的焦点之一。高强度管线钢一般指屈服强度大于500MPa的超低碳、微合金细晶粒管线钢，如X80、X90、X100、X120高强度管线钢，其主要微观组织为针状铁素体/贝氏体。这类钢焊接存在的主要问题是焊接氢致裂纹、焊接热影响区局部脆化、软化及韧性下降，焊接接头的疲劳等。在实际应用中，高强度管线钢焊接的主要目标是：焊接接头处获得较高的强度和韧性，避免产生冷裂纹及各种缺陷，能够达到实际应用要求。
1高强度管线钢的焊接性问题
近年来，随着管道工程的发展以及焊接技术的进步，油气输送管道趋向于大直径，输送介质复杂，输送压力增大，而且管线的使用条件越来越苛刻。因此，管道材料的研究正朝着高强度、高韧性以及优良的现场焊接性等多方面发展。这就要求管线钢不仅具有优良的强韧性等综合力学性能，而且还要具有良好的焊接性。焊接性的好坏是评价管线钢使用性能的主要指标之一。焊接性、焊接材料以及相应的焊接工艺是管线钢焊接的三个基本要素，三者密不可分。随着管线钢强度级别的提高和合金元素含量的增加以及焊接工艺条件的变化，都会引起各种焊接性问题。尤其是焊缝金属的强韧化匹配、冷裂纹以及HAZ的脆化问题。
2 X80～X120高强管线钢焊接冷裂纹产生原因、影响因素及防止措施
2.1冷裂纹产生原因
高强度管线钢焊接冷裂纹一般发生在焊接接头的热影响区，主要与被焊钢种的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及分布、接头所受的拘束应力状态3个因素相关。高强度管线钢在焊接时处于淬硬状态，近焊缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒严重长大；当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体；马氏体属脆硬组织，因此，当焊接接头存在马氏体组织时，裂纹易于产生和扩展。另外，焊接过程中，由于热源的高温作用，焊缝中溶解了较多的氢，当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度急剧下降，而氢在铁素体等组织中的扩散速度很快，因此氢就很快地从焊缝向热影响区扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快地扩散到母材中，因而就在熔合线附近形成富氢区域；同时，滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢就会在马氏体中以过饱和状态残留，使热影响区进一步脆化。如果热影响区存在缺陷，且氢含量较高，就可能产生冷裂纹；其次，由于焊接过程中接头存在较大的拘束应力，当拘束应力大于接头临界应力时，也会出现裂纹。
2.2冷裂纹影响因素
2.2.1接头拘束应力
焊接接头中仅存在脆硬组织和氢，而无应力存在时，一般来讲高强度管线钢也不会产生冷裂纹。某些情况下，焊接接头所处的拘束应力状态对冷裂纹的产生起着决定性作用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆不同焊接结构所处的拘束状态不同，焊接过程中产生的拘束应力也就不同；一般来讲，焊接钢种的板厚越大，所造成的拘束度也越大，产生冷裂纹的倾向越大。焊接接头所承受的拘束应力主要包括因非均匀热输入造成的热应力和因相变产生的组织应力以及因刚性约束条件、焊接结构自重、工作载荷等引起的外拘束应力；当拘束应力超过焊接接头的临界拘束应力值时，就会引起开裂。
2.2.2焊接工艺对冷裂纹的影响
实际应用中，施工所采用的焊接工艺如焊接线能量、焊前预热等对冷裂纹的敏感性均有不同程度的影响。焊接线能量过大会引起热影响区过热，促使晶粒粗化，降低接头的抗裂性能；线能量过小，冷却时间减少，会使热影响区淬硬，不利于扩散氢的溢出，也增加了冷裂纹倾向。合理的预热可以有效防止冷裂纹的产生。如果预热温度过高，会使劳动条件恶化；局部预热会产生附加应力，因此预热不当反而会加剧冷裂纹的产生，因此需慎重选择预热来降低冷裂纹倾向。
2.3冷裂纹防止措施
2.3.1降低含氢量
防止冷裂纹的另一个重要措施就是降低焊缝的含氢量。焊材在使用前必须经过烘焙，针对不同类型的焊接材料要根据相应的标准对焊材进行烘焙和保温；普通低氢型焊条进行350℃烘焙，超低氢型焊条应在400～450℃保温2h，并妥善置于保温箱（筒）保存。使用优质的超低氢或低氢焊材也是控制冷裂纹发生的重要措施。采用具有一定氧化性的保护气氛也可降低焊接接头中的含氢量。对某些淬硬倾向较大的高强度管线钢可用奥氏体焊条进行焊接，因为奥氏体可固溶较多的氢，抑制了氢的扩散，也就减小了冷裂纹产生的倾向。此外，应对焊丝、坡口附近的铁锈、油污等进行清理，减少氢来源，也可降低冷裂纹产生的几率。高强度管线钢在焊接完成后立即将接头加热到150～250℃进行消氢处理，确保焊接接头中的残余氢扩散溢出，也可减少接头产生冷裂纹。
2.3.3降低拘束应力
为了降低高强度管线钢焊接接头的冷裂纹倾向，在设计焊接结构时，必须尽量减小接头的拘束程度，施焊时尽量避免形成各种缺口，降低应力集中程度。适当加入某些合金元素，提高焊缝金属的韧性和塑性，可减缓拘束应力，降低了HAZ产生冷裂纹的危险。如果采用强度比母材低的低匹配焊材，同样可改善焊缝的塑性，也可减小高强度管线钢焊接接头承受的拘束应力，降低冷裂纹倾向。
3高强度管线钢焊接工艺分析
X80～X120高强度管线钢焊接冷裂纹、热影响区脆化软化所导致的热影响区韧性下降是其在实际应用中的主要问题，因此需要选择合理的工艺来防止。焊接工艺一般包括制定施工程序、选择焊接线能量和预热温度、焊后加热以及焊后热处理等。为改善高强度管线钢结构的应力状态，应合理地分布焊缝的位置和施焊的顺序。采用多层焊可以改善焊缝及HAZ的组织，但要严格控制层间温度不低于预热温度，以免产生冷裂纹和对接头的强韧性造成不利的影响。
高强度管线钢应在选择含氢量低的焊接方法的同时严格控制焊接线能量，控制t8/5的冷却时间以得到合理的焊缝金属组织。焊接时如果热输入过小，焊缝会出现脆硬第二相组织，强度、硬度有所提高，但接头的韧性会大大下降，所以焊接时焊条电弧焊的热输入不应超过25kJ/cm，半自动焊的热输入不应超过20kJ/cm。此外，焊接工艺的一个重要方面就是焊前准备。高强度管线钢在焊接前要仔细清理焊件坡口周围及焊丝表面的油锈、水分等杂质，严格执行焊条的保存制度；避免在穿堂风、低温环境下施焊，否则应采取特殊措施进行防护，如采用挡风和进一步提高预热温度等措施；同时应根据相关标准对焊件和焊条进行合适温度的预热。
结语
高强度管线钢的焊接需要制定合理的焊接工艺，选择合理的焊接参数，合适的预热温度、含氢量较小的焊接材料、合理的焊接热输入等对其焊接性至关重要。
参考文献
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[3]徐达.外加电磁场控制焊接变形及冷裂纹研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
论文作者:杨忠宝,丁瑜峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/22
标签：管线论文; 裂纹论文; 应力论文; 高强度论文; 韧性论文; 奥氏体论文; 生冷论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;