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高性能管线钢焊接性能及焊接材料研究

黄治军  
【摘要】: 本课题选用多种基材、研制了多种焊丝、采用了不同焊接工艺对我国最新研制的低硫、细晶、高性能的X70及X80管线钢的焊接性能及焊接材料进行了系统的研究。 对于管线钢的抗裂性能,提出了一个用于预测现代低碳高强管线钢焊接热影响区最高硬度的计算式,并根据试验结果进行了验证。从室温到100℃预热,X70及X80钢焊接热影响区最高硬度(HV_(10))低于248。结果表明,X70及X80钢淬硬倾向小,且硬度满足管线钢抗H_2S应力腐蚀要求。 采用现有高性能埋弧焊丝及气保焊丝分别对X70、X80钢及与X80钢相当的低CE钢进行了焊接性能试验。现有埋弧焊丝及WER60气保焊丝用于X70钢、WER70气保焊丝用于X80钢均能满足要求,但现有埋弧焊丝用于X80钢性能还不能满足要求,因此需要开发新的埋弧焊丝。 结合常用的管线钢厚度及焊接工艺,分别研究了埋弧焊及气体保护焊填充金属在焊缝金属中所占的比例,并建立了预测这一比例的较为实用的计算式,作出了埋弧焊填充金属面积与焊缝金属面积比值同钢板厚度与坡口大小比值的关系曲线;作出了气保焊填充金属面积与焊缝金属面积比值同钢板厚度的关系曲线;提出了焊缝强度预测的方法,并利用excel进行高效运算,为实现最终焊缝成分和焊接工艺较为准确的控制奠定了坚实的基础。 埋弧焊丝的试制以熔敷金属强度作为主要目标,采用正交设计方法,将C含量、Mn含量及Ni、Cr、Mo等合金元素含量的折算总量作为试验因子,并设为两个水平。在焊丝钢中加入微量的Ti和B对焊缝金属进行微合金化。匹配CHF101或CFH105进行焊接熔敷金属试验,新研制的埋弧焊丝强度为560~690MPa,发现焊接熔敷金属强度与焊丝的碳当量有较好的关联性。 采用新研制的系列埋弧焊丝及不同的焊接工艺对X70钢及X80钢进行了实验室对接试验及实管焊接试验,得到了焊缝性能最佳的焊丝成分,焊丝化学成分有所创新,且使用了资源丰富的Cr元素。X70钢焊缝与焊接热影响区半平台能转变温度VTE均为约-80℃,焊缝冲击功的平均值AKV(-20℃)一般达到200J以上。X80钢接头-20℃各区冲击功不小于127J,焊缝抗拉强度为710~740MPa,接头硬度在技术条件规定的范围内。热处理后,含Cr焊缝强度有所上升。管线钢高速埋弧焊工艺有利于提高对接焊缝的韧性,X80钢及其埋弧焊丝具有优良的工艺适应性。所研制的焊丝性能明显优于现有焊丝,达到国际先进水平。 埋弧焊对接焊条件与熔敷焊接条件有较大的差别时,对接焊缝强度将会有明显变化。建立了埋弧焊丝与基材的碳当量差值和熔敷金属与对接焊缝强度差值的关联性。对于试验所用的X70钢及X80钢,埋弧焊丝熔敷金属最低强度分别高于560MPa及620MPa时,可以满足对接焊缝强度要求。 合金元素对低温冲击韧性的影响较为明显。采用Ni、Cr及Mo等多元合金化及Ti、B微合金化的焊缝金相组织含较多针状铁素体,因此焊缝具有较高的强韧性。不仅基材的化学成分,而且基材的组织结构也会对焊缝金属组织性能产生影响,从而会导致不同方向的焊缝之间、不同钢种的焊缝之间的韧性差异。埋弧焊热影响区存在一定的软化,对于低CE高强度钢软化更为明显,但气保焊接头的软化程度即使对于低CE高强钢也是基本上可以接受的。 X80钢焊接接头金相组织过热区为贝氏体,正火区和不完全正火为贝氏体和铁素体,焊缝组织为针状铁素体加极少量的先共析铁素体。焊接粗晶区晶粒尺寸埋弧焊大于气保焊,大线能量时也较大,但均明显小于传统钢。EBSD分析显示,X80钢具有明显细小的焊缝晶粒,晶粒取向分布也比较均匀,热处理后焊缝针状铁素体有一定的粗化。高韧性断口表面韧窝中含有直径0.5~1.0μm的颗粒,颗粒主要由Ti、Ca等组成。埋弧焊缝冲击断口所含的颗粒直径2~5um,颗粒主要含有Al、Si时,焊缝韧性下降。焊丝中含有较高的Ti及较低的Als是使焊缝中形成以Ti为主的微细质点的关键。


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