焊接热影响区性能变化分析

管线钢焊接热影响区是一个在成分、组织、晶粒度以及性能等方面均有较大差异的不均体，其性能的变化与所焊钢材的种类、合金系统及焊接工艺条件等都有很大关系。对管线钢来说主要是脆化和软化问题。

1.脆化问题

管线钢焊接时，热影响区的主要性能变化之一是脆化问题，它常常是引起管线开裂和脆性破坏的主要原因。管线钢焊接热影响区脆化有多种类型，表现为粗晶区脆化、临界粗晶区脆化和热应变时效脆化等。

（1）粗晶脆化 粗晶脆化的主要原因是晶粒粗化。晶粒粗化或长大受许多因素的影响，对于已经确定了的化学成分和组织状态的钢而言，奥氏体晶粒长大的倾向主要受加热温度和保温时间的影响，而且加热温度的影响远大于保温时间的影响，加热温度越高，晶粒粗化越严重。

焊接粗晶区实际长大的程度决定于焊接热循环的特性，其主要是在碳化物、氮化物的平衡溶解度极限温度以上发生的。在焊接热循环这种连续加热与冷却的条件下，晶粒的长大，在加热过程中最为激烈，而且在冷却过程中还有长大的趋势。实践证明，只有在超过1100℃时钢的奥氏体晶粒才明显长大。因此为防止晶粒长大，必须尽可能减少高温持续时间t_H，特别是1100℃以上的持续时间。为此可从控制焊接热输入、调整管线钢化学成分、调整焊接冷却条件和焊后进行热处理四个方面着手。

（2）临界粗晶区脆化 临界粗晶区脆化或称为两相区脆化，它出现在管线钢前一焊道产生的粗晶区又受到后一焊道加热到（Ac₁～Ac₃）临界区温度的区域，是管线钢双面焊和多道焊中的一种特殊的脆化现象。临界粗晶脆化区被认为是管线钢焊接热影响区中最脆的区域之一。临界粗晶脆化区的原因主要是粗晶区的组织遗传性和显微组织的变化。

组织遗传是指在某些条件下，原始粗大的非平衡组织经快速加热到临界温度以上，虽发生了α→γ相变，但原始晶粒并没有得到细化，而是保留了其粗晶形貌和结晶学位相关系。多道焊时，管线钢一次热循环粗晶区粗大的非平衡组织是在奥氏体的{111}_r上以切变方式生成，并与母相保持着K-S的位相关系，因而当第二次热循环的温度不太高时（Ac₁～Ac₃），为了减少相变阻力，奥氏体形核总是力求与这些结晶学有序组织在密排面和密排方向上保持平行。这种取向结果使得在承受第二次热循环作用且峰值温度处于（α+γ）两相区时，由于组织遗传性而使晶粒未得到细化，形成粗大的、含碳量较高的M-A组元和块状铁素体，这些组元经常沿晶界分布，在变形过程中很易造成它与基体之间的分离，进而导致管线钢焊接HAZ临界粗晶区脆化。

（3）热应变脆化 钢材在室温下受到塑性预应变后，在室温放置较长时间或稍经加热可使硬度和屈服强度升高，同时塑性、韧性降低。高温下的预应变，尤其在200～300℃的预应变，比室温时预应变的脆化效应还要严重。在管线钢板卷拆卷及钢管的生产过程中，钢板因卷板和钢管成形引起的局部应变，在随后的焊接热作用下即会引起热应变时效脆化（HotStraining Embrittlement，简记HSE）。一般把室温或低温下受到预应变后产生的时效现象，称为静应变时效。静应变时效的原因，认为主要是由于存在于α-Fe间隙中的C、N原子，通过扩散重新聚集于位错周围，形成所谓的Cottrell气团而钉扎位错所致。一般把在较高温度下（如200～400℃）承受塑性应变时产生的时效现象，称为动应变时效。动应变时效的原因，认为是由于热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发碳、氮原子快速扩散，集聚于位错周围形成所谓Cottrell气团而钉扎位错所致。

关于热应变脆化（HSE脆化）的机理，目前认识尚不够深入，一般认为热应变脆化是动应变时效和静应变时效综合作用的结果。发生HSE脆化时，并不一定伴随金相组织的变化。焊接接头由于受到热作用，金相组织具有明显的不均匀性，对于产生HSE具备了良好的条件。实践证明，焊接接头中明显产生HSE的部位是HAZ的熔合区和Ac₁以下的HAZ（200～600℃）。由于焊接接头在其熔合区最易产生各种缺陷，尤其是咬边、未焊透等造成的缺口效应，更易看到HSE脆化现象。合金化程度低和不含有能固定N元素的钢种，HSE脆化程度最大。

对于无缺口的焊接接头，在焊接过程中Ac₁以下的HAZ所受到的热应变一般不超过1%，这时动应变时效脆化程度不会很大。而静应变时效脆化的程度则往往取决于钢材在焊前所受到的预应变量，一般可达5%。因此，焊接接头HAZ应变脆化，往往是以静应变时效为主，动应变时效为辅的综合作用。

为了衡量管线钢在焊接条件下的应变时效脆化程度，常用静态应变时效试验方法，即从母材取样，室温下预拉伸应变5%，在250℃加热0.5～1h，然后制成冲击试样，进行冲击吸收能量试验。依据国际标准规定，采用敏感系数C_v作为钢材静应变时效评定的参考。C_v的表达式为：

式中 ——母材在t℃时的平均冲击吸收能量（J）；

——母材经过一定应变时效后，在t℃时的平均冲击吸收能量（J）。

2.软化问题

热影响区的另一主要性能变化是高强度管线钢的软化问题。(www.xing528.com)

近十余年来，随着抗大变形钢管、X90、X100和X120等高强度管线钢的开发，发现焊接热影响区硬度降低（见图4-26），表现为热影响区软化。在地震、永久冻土等大位移环境中，为使管道在拉伸、压缩和弯曲状态下具有避免屈曲、失稳和延性断裂的极限应变能力，对热影响区的软化问题正日益受到关注。

图4-26 X90钢环焊接头的硬度测试数据图

有文献资料表明，受管线钢冶金特点及生产工艺的影响，抗大变形管线焊接时必定会在热影响区（HAZ）产生软化，而且由于焊接材料的选择及焊接工艺特点的影响，整个环焊缝的强度也是不均匀的，如根焊位置强度偏低，有可能局部成低匹配状态。另外环焊缝也是容易产生缺陷的区域。对于承受大位移的管线，应变将在HAZ软化区及低匹配焊缝区产生强烈集中，如果热影响区的强度比母材低10%，则热影响区的应变集中系数可以高达9。在没有缺陷的情况下，如果软化区尺寸足够小（1/4～1/2管壁厚度），应变集中不影响整个接头的静载变形能力。但是在焊缝及热影响区经常会出现缺陷，此时材料的后屈曲行为及缺陷的尺寸对输送管的变形能力有着直接的影响，所以在基于应变的设计中焊接热影响区软化现象应尽量避免。

国外研究表明，在X100和X120等高强度管线钢中，由于在控轧、控冷过程中强烈加速冷却和贫合金化技术路线的实施，HAZ软化是普遍存在的，埋弧焊多道焊软化区的宽度通常在3～5mm之间，环焊接头多道焊软化区的宽度通常在0.5～3mm之间。研究也表明，软化区宽度是焊接热过程的函数，低速、高预热、大的焊接热输入使软化区宽度增加。因此，为防止热影响区软化现象，应兼顾材料的选择和焊接工艺的优化。

思考题

1.简述焊接性概念及进行焊接性分析试验的目的。

2.简述管线钢的发展趋势。

3.简述冷裂敏感性分析方法有哪些？

4.对于某管厂提供的X80（L555）φ1219mm×18.4mm钢管，其化学成分如下：

（质量分数，%）

采用KOBE LB-52U φ3.2mm低氢焊条根焊时，热输入控制在不大于15kJ时，请利用本章节提到的相关公式预测其现场焊接时需要的最低预热温度。

5.简述选择或制定焊接性试验方法的原则。

6.简述目前管线钢焊接性存在的主要问题。