X80管线钢的焊接性与埋弧焊焊丝.docx

本 科 毕 业 设 计（论文）外文文献题 目：X80管线钢的焊接性与埋弧焊焊丝作 者：黄治军 胡伦骥 缪凯 张小枫 陈浮翻译学生：谭佳瑞学 号：11044115专业班级：材料科学1101指导教师： 石志强2014年 6月20日X80管线钢的焊接性与埋弧焊焊丝摘要:焊接性测试显示，X80及其匹配的埋弧焊焊丝具有完善的细致晶粒，低含硫，高强度，高韧性等性质。在焊接热影响区HAZ进行最大硬度测试和斜Y型坡口测试，结果显示X80钢具有低的淬透性和良好的抗开裂性。采用新型低碳多元合金WGX2型SAW焊丝制造的SAW接头表现出稍高于金属基体的强度，合格的弯曲强度，在最大限度硬度和良好的冲击韧性下，可完全满足X80管线钢的技术要求。尽管在热影响区HAZ处晶粒略有粗化，但尺寸仍比传统钢种细得多。焊缝金属的组织几乎全是针状铁素体。以上结果显示出X80管线钢与WGX2焊丝的优良焊接性。关键字：X80，焊接性，焊丝，机械性能，针状铁素体，贝氏体0、 简介随着我国天然气事业的发展，管道建设飞速发展。出于成本和安全的考虑，管线钢的强度要求和管线钢的工作压力迅速增加。在以往管线钢主要采用X65型，目前的西气东输工程中主要使用了X70型，而X80型则引起人们的广泛关注，且有望投入建设一些试验性管道。X80采用更先进的炼钢轧制技术。相比于X70，X80成分更加纯净且硫含量更低。TMCP技术的应用进一步细化了X80的晶粒，使晶粒尺寸达到了微米级，提高了强度和韧性。从含碳量角度分析，X80钢可分为两类，一类具有像X70一样的高含碳量，另一类则为低含碳量。本次试验所采用的X80即为第二种，含碳量为0.45%。在金相显微镜下，X70早期为F+P的混合结构，后期为针状F，而X80则发展为F+B的混合结构。钢的焊接性是影响其应用的重要因素。它的主要管道焊接技术是螺旋埋弧焊或直缝埋弧焊。因此，焊缝金属应具有与基体金属相似的性能。但是众所周知，X80为通过轧制进行强化，而焊缝金属则是一种凝固组织，增强增韧的主要方法是合金化。这些特征不可避免导致焊缝金属与基体金属在化学组成与组织方面的差异。我们进行了X80的HAZ最大硬度测试与斜Y坡口测试结果显示X80表现出低的脆化能力与高缺口稳定性。传统SAW焊丝为高含碳量，与X80在强度、化学成分方面不匹配。为解决这个问题，一种新型WGX2的SAW焊丝，含少量硫，高纯净，被用于焊接X80的试验。接头有足够的强度、韧性、无明显硬化或软化的性能，焊缝组织主要为针状铁素体，这在HAZ区是正常的。X80与WGX2焊丝都有良好的可焊性与性能，并展示出良好的应用前景。1、 实验材料试验用X80钢板为17.5mm厚，成分见表一（CE当量0.44%,Pcm当量0.18%），主要机械性能见表二。X80的设计碳含量为低值。通过加Mn，适量加Cu、Ni、Mo，微量Ti、Nb，在保证低CE，耐腐蚀性进一步提高的同时，保证钢的强度。它的硫含量低于0.0005%，提高了耐H2S腐蚀性和低温韧性。X80中Nb、Ti微合金元素可形成氮化物、碳化物细颗粒，这些细颗粒可以作为晶粒核心并有效细化晶粒。X80的微观结构为F+B。其强度、韧性高，冲击韧性在-20摄氏度时大于300焦耳。当进行焊接时，在钢中细小碳化物、氮化物颗粒可钉扎HAZ中的奥氏体，阻碍晶粒长大，大幅提高HAZ的组织与性能。Y型坡口焊接裂纹实验表明，对低氢电极，有必要将Pcm值降低至0.2%,从而使临界预热温度低至0摄氏度以下。对于纤维素焊条，100123摄氏度预热对于0.17%Pcm值是必须的。所测得的试验钢Pcm是0.18%。因此其良好的焊接性是值得期待的。2斜Y型坡口实验斜Y型坡口焊接裂纹试验按标准GB4675.1-84进行。焊接方法为熔化极自动保护电弧焊，具有4mm直径CJ707型电极。.测试温度分别是25，50摄氏度，75摄氏度，100摄氏度。焊接电流为150 A，焊接电压22-25 V，和焊接速度1 5厘米/分。环境湿度是64。在完成焊接后48小时，在焊缝金属表面裂纹检测用10次放大镜进行的，然后将测试焊缝解剖为5个观察表面。用10硝酸乙醇腐蚀液，对样品进行检查，是否有裂纹，然后统计裂纹率。结果是，表面裂纹率，断面裂纹率，焊缝端部裂纹率均为零。3.热影响区最大硬度测试试验区（HAZ）最大硬度是用于评估钢的淬透性和抗裂性。显然，在影响区硬度受钢的PCM值与焊接热周期影响。对C-Mn钢和高强度钢，当最大硬度高于350HV10，钢被认为是易开裂。对管线钢要求更严格，出于HIC及SSCC阻力的要求，最大硬度不应超过275 HV10。该试验进行按标准GB4675.5 - 84。根据在预热温度25和100摄氏度的测试结果。沿焊接熔合线的切线的硬度分布曲线平行于板的表面上进行作图，如图。在室温下，测试的硬度是211-235 HV 10，最大硬度在熔合线和部分HAZ上分布为235 HV10。对再加热，在100摄氏度的样品，测试的硬度是215-237 HV10，最大硬度是237 HV10位于HAZ的距离切点5mm处。热影响区在一定程度上软化，但影响不大。100摄氏度的预热温度的样品，相比室温的样品，切点附近的硬度值明显下降，但远离切点的最大硬度是不太可能受到影响。4.X80的埋弧焊4.1埋弧焊测试条件和参数 以前使用的铜包1焊丝和新开发的4mm直径铜包覆焊接导线WGX2分别被采用。焊剂为CHF101和CHF105；两条焊丝和两个焊剂相互匹配。该熔敷金属的组合和力学性能根据对焊接材料的标准试验分别在表3和表4所列。对称双Y型坡口焊接板被用于SAW焊接实验。根面是5mm，槽角为45度。焊接工艺参数：焊接电流600-800A，焊接电压32- 34V，和焊接速度0.7-1.0M分钟。环境温度为23-25摄氏度，且湿度72一73。无论是螺旋或直缝埋弧焊接管线，焊缝的方向平行于钢的轧制方向。4.2埋弧焊接头的机械性能 匹配不同焊丝的X80钢埋弧焊接头摆锤式冲击试验结果见表5，圆形试样进行全焊缝金属的拉伸试验，结果见表六。焊接接头的扁平样品拉伸试验和弯曲试验的结果示于表7中。 X80钢焊接接头的硬度测量是在1#焊缝金属焊缝表面下2mm和在选定的典型的点在焊缝区，热影响区和母材进行。I#式样中母材硬度为208228HV10，焊缝211221HV10，HAZ区为214216 HV10，2#样品HAZ为215234 HV10。3#焊接接头的硬度分布如图2。焊缝金属距临近HAZ的母材上测试起点515mm。可以看出，焊缝处硬度接近母材。在从焊接到母材的方向，熔合线处硬度上升到240 HV10的峰值，下降至最低207 HV10再上升到另一个峰值呈现一个窄软化区和，并在下面的区域中再次下降到基体金属的值。4.3埋弧焊接头微观成分分析对每个焊接接头进行了组织分析。在样品1 #焊缝金属的微观结构2#和3 #是针状铁素体和铁素体前身。在回火区和不完全回火区微观结构为贝氏体和铁素体。2#焊接接头试样的X80母材和接头不同区域的金相如图三至六。可看出在母材上晶粒细小，在粗晶区晶粒尺寸为2030pm，相比传统钢种仍然更加细小。4.4焊缝化学组成每个焊缝金属的化学成分进行了分析，主要如表8所示。S在每个焊接金属的含量是非常低的。WGX2焊丝的焊缝要求具有较低的碳含量，高量的锰和一些元素Mo，Ni和Cr以产生很好的强度和韧性。焊缝金属的有足够强度的前提是其良好的化学成分5.讨论焊接热循环和焊缝金属的化学成分对焊缝金属微观结构和性能有很大影响。当焊缝发生相变时先铁素体是首先形成与奥氏体晶界处的一种相。先铁素体对裂纹扩展有低抗性。奥氏体内的针状铁素体的成核与生长过程依靠奥氏体内的高密度位错。铁素体针非常细小至平均尺度达1m，并基于晶界大角度的自由定向，有助于强化抗开裂能力，焊缝中大量存在的针状铁素体可显著提升焊缝的强度和韧性。在焊缝金属中适量钛的可生成大量TiN和Ti2O3，可以在焊缝凝固时作为针状铁素体形成所需的异质晶核。硼能降低奥氏体转变铁氧体的温度，促进晶内针状铁素体的形成。此外，硼在晶界处偏聚会抑制先析铁素体和侧板状马氏体的形成从而大大降低现有的铁素体含量。当焊缝中锰含量较高，在焊缝金属中的针状铁素体转变的起始温度低，转变温度的范围广，最终扩大针状铁素体在焊缝金属中的体积分数。镍可以减少现有铁素体的量，从而提高焊接金属的韧性。对于低合金高强度钢的焊接，其上平台冲击功可以通过下列公式来估计：X80埋弧焊焊缝硫含量低，氧气含量也保持在较低的水平，这保证化学组成的稳定，该焊接金属具有较高的韧性。锰，镍，钼，铬是强化合金元素。随着这些种类元素的加入，焊缝强度增加，相比于焊丝1#和焊剂CHF101制造的焊缝，WGX2焊丝制造焊缝有着较高抗张强度，但韧性稍微降低。理想的是，它不仅具有较高的抗张强度，而且有高伸长率和收缩率。根据弯曲试验，焊丝1在焊接接头的结果不合格而WGX2焊丝的接头完全合格，解释如下：当弯曲试验进行，一方面，由于1焊丝的焊缝的强度较低，焊缝能够更容易地进行塑性变形，并产生应变集中导致断裂。另一方面，WGX2的焊接金属具有比母材高一点的强度，在弯曲试验可以在母材和焊缝处都发生变形。因此以WGX2丝制成的焊缝具有良好的弯曲性能。6.总结可以从X80焊接性测试中得出以下结论：（1）在25和100摄氏度的这两个预热温度，HAZ的最大硬度234至237HV10表明X80钢的低淬透性。在25，50，75，100四个预热温度，斜Y槽的样品的横截面测试显示无裂纹发生，X80钢具有良好的抗裂性。（2）在X80钢SAW焊接试验中使用WGX2丝匹配焊剂CHF101和CHF105，焊接接头的强度比金属母材的较高。焊缝抗拉强度715兆帕，高于X80的抗拉强度。在D = 2A，120摄氏度的条件下，焊接接头的弯曲测试是合格的。焊接接头在-20度在每个区域夏比冲击吸收功不小于127 J.在接头处没有出现显著硬化和软化。（3）在X80钢焊接热影响区，组织在HAZ的粗粒区为贝氏体，在相变区为贝氏体+铁素体，在不完全回火区为贝氏体+铁素体，在焊缝为针状铁素体。相比与传统的钢其晶粒更细。（4）X80钢具有良好的可焊性.相比当前的SAW焊丝，低碳多元合金WGX2焊丝可生产出完全匹配X80的具有较好综合力学性能的焊接接头。鸣谢作者们希望向武汉钢铁技术中心管线钢研究小组的专家们表达他们的感谢之情。参考文献1 Zhang Caijun，Cai Kaike，Yuan WeixiaPerformance requirements and porductive feature of pipeline stee1 Steelmaking，2002，18(5)：4046(in Chinese) 2 Zhao Zengwu，Chang Guowei，Wang XinhuaEfects of oxygen and sulphur on strength and toughness of high puirifcation low alloy stee1Metalluryg studyBeijing：Univesrity of Science and Technoloyg Beijing，2002：147151(in Chinese) 3 Xue Xiaohuai，Qian Bainian，Guo Wuming，et a1Development of submerged rae welding wires for hish pefrorm ance piepline stee1Journal of Iron and Steel Research，2003，33(10)：7376(in Chinese) 4 Pontremoli MMetallurgical and technologicla chlalenges of the development of high pefrorm ance Xl00-X120 linepipe steels Second Intenrationla Conference on Advanced Strueturla Steels，Shanghai，Apirl 1416，2004：39455 Jeremy C，Price. 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