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61MATERIALS FOR MECHANICALENGINEERINGVol.47No.6Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202306011X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性夏培培1？2,杨柳青”,靳海成1？，吴林恩 2，肖健12,袁中明（1.油气管道输送安全国家工程研究中心，廊坊0 6 50 0 0；2.中国石油天然气管道科学研究院有限公司，廊坊0 6 50 0 0；3.北华航天工业学院材料工程学院，廊坊0 6 50 0 0；4.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，廊坊0 6 50 0 0）摘要：选用低强、等强和高强匹配的3种低氢型焊条，在8 0 预热条件下分别对X80钢板进行U形坡口和斜Y形坡口打底焊，计算了接头断面裂纹率，并进行了维氏硬度测试，评价了等强和高强匹配焊条打底焊接头的冷裂敏感性。结果表明：焊条的冷裂纹敏感指数随强度等级提高而增大，但焊缝表面及断面均未发现裂纹，断面裂纹率为0，说明冷裂敏感性并未随焊条强度增大而增强。与低强匹配焊条打底焊相比，等强和高强匹配焊条打底焊后热影响区硬度未明显增大，即淬硬倾向未明显增大、冷裂敏感性未增强。等强和高强匹配焊条可用于X80钢的打底焊。关键词：X80钢；焊接材料；强度匹配；打底焊；冷裂敏感性中图分类号：TG406文献标志码：A文章编号：10 0 0-37 38(2 0 2 3)0 6-0 0 6 1-0 6Cold Cracking Sensitivity of Different Strength Matching BackingWelding Joint of X80 SteelXIA Peipeil-2,YANG Liuqing,JIN Haichengl?2,WU Linen-2,XIAO Jian2,YUAN Zhongming*(1.National Engineering Research Center for Oil and Gas Pipeline Transportation Safety,Langfang 065000,China;2.China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000,China;3.College of Materials Engineering,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000,China;4.No.4 Branch of China Petroleum Pipeline Research Institute Co.,Ltd.,Langfang 065000,China)Abstract:By using low-strength,equal-strength and high-strength matching low-hydrogen coveredelectrodes,backing welding was conducted on X80 steel plate under 80 p r e h e a t i n g a n d w i t h U g r o o v e a n d o b l i q u eY groove.The section crack rate of the joint was calculated,and the Vickers hardness was measured.The coldcracking sensitivity of the backing welding joint with equal-strength and high-strength matching electrodes wasevaluated.The results show that the cold crack sensitivity coefficient of the covered electrode increased withincreasing its strength grade,but no cracks were found on the surface and section of the weld,whose section crackrate was O,indicating that the cold cracking sensitivity did not increase with increasing covered electrode strength.Comparing with that by low-strength matching covered electrode backing welding,the hardness of the heat-affectedzone by equal-strength and high-strength matching covered electrode backing welding did not increase significantly,namely the hardening tendency did not increase significantly,and the cold cracking sensitivity was not intensified.Equal-strength and high-strength matching covered electrodes could be used for backing welding of X80 steel.Key words:X80 steel;welding material;strength matching;backing welding;cold cracking sensitivity收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 7；修订日期：2 0 2 3-0 5-15基金项目：中国石油集团工程股份有限公司科学研究与技术开发项目（2 0 2 0 ZYGC-01-01）；沧州市重点研发“揭榜挂帅 项目(212101005D)作者简介：夏培培（198 5一），山东肥城人，高级工程师，硕士通信作者：杨柳青副教授0引言冷裂纹是大直径X80管线钢管焊接需要解决的主要问题之一1，在工程上常采用焊前预热的方法来解决。但是，考虑到冷裂纹出现的延迟特点和快速脆断特征2 ，仍有必要对接头的冷裂敏感性进62MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING夏培培，等：X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性2023机械工程材料行研究。打底焊道是长输管道焊接的基础，其质量直接影响整个焊缝质量；焊缝根部的应力集中容易导致接头底部开裂。在我国油气管道工程建设中，综合考虑环焊接头的塑性、韧性、冷裂敏感性及建设成本等因素，在打底焊时多采用低强匹配焊接材料。打底焊采用低强匹配是降低高强钢焊接冷裂敏感性的一种技术途径，因为低强度的焊缝金属容易屈服，可以减缓应力集中程度，同时低强匹配焊接材料减少了合金元素含量，降低了焊缝金属的组织淬硬倾向，使得焊接时冷裂纹产生的概率相对较低3-4。但采用低强匹配焊接材料进行打底焊后，接头打底焊位置容易产生塑性变形，由于塑性变形区小、拘束度大，且打底焊缝质量不易控制，容易诱发裂纹产生及扩展。国际管道研究协会（PipelineResearchCouncilInternational，简称PRCI)曾探讨了较高强度焊接材料（E8010)用于X70钢打底焊而不增加氢致冷开裂风险的可能性，引起了国内外学者对管道环焊接头强度匹配的新认知5作者选取了油气管道工程建设常用的X80钢以及低强、等强和高强3种强度级别的低氢型焊条，开展了U形坡口焊接试验和斜Y形坡口焊接试验，对比和评价了3种焊条打底焊接头的冷裂敏感性，为高级别钢油气管道环焊工艺制定及现场环焊接头质量评价提供参考。1试样制备与试验方法焊接母材为国内某厂生产的厚度为18.4mm的X80钢板，化学成分见表1,其屈服强度为6 10 MPa，抗拉强度为7 0 3MPa。焊接材料为3种强度级别的低氢型焊条，直径为3.2 mm，型号分别为神钢LB52U、L B-55U 和LB-62U，强度由低到高，其熔敷金属的化学成分和力学性能分别见表2 和表3。采用手工电弧焊（SMAW）对X80钢板进行焊接，用上述3种强度级别焊条进行打底焊后，再用伯乐EV75焊条完成填充和盖面焊接。在打底位置取微型圆棒拉伸试样进行拉伸试验，测得LB-52U、LB-55U和LB-62U焊条打底焊缝金属的屈服强度分别为52 2，6 18，6 45MPa，抗拉强度分别为6 10，687,698MPa。通过与母材屈服强度对比可知，LB-52U、L B-55U 和LB-62U焊条分别为低强、等强和高强匹配焊接材料。表1X80钢板的化学成分Table1Chemical composition of X80 steel plate元素CSiMnSPCrMoNiA1CuTiNb质量分数/%0.0530.201.840.0030.0080.350.190.0070.0350.010.0140.0840.036表2 3种强度级别低氢型焊条熔敷金属的化学成分Table 2Chemical composition of deposited metal of low-hydrogen covered electrodes with three strength grades质量分数/%型号CSiMnSPCrMoNiA1CuTiNbVLB-52U0.060.440.980.0030.0130.0200.010.0010.0110.0070.0050.009LB-55U0.070.411.550.0020.0100.0200.010.0010.0100.0050.0040.010LB-62U0.070.621.060.0030.0150.030.260.650.0020.0130.0090.0070.008表33种强度级别低氢型焊条熔敷金属的力学性能Table 3 Mechanical properties of deposited metal of low-hydrogen covered electrodes with three strength grades屈服强度/抗拉强度/断后伸长率/一30 冲击吸型号MPaMPa%收能量/LB-52U48357224.073.5LB-55U51761929.078.5LB-62U56264826.052.0U形坡口试验是美国里海大学提出的裂纹试验法，适用于评定碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢焊接接头焊缝和热影响区的裂纹敏感性6 。斜Y形坡口焊接裂纹试验是一种拘束程度较苛刻的冷裂纹试验方法，常用来评定在某一预热温度下钢铁材料与配套焊接材料所形成的焊缝的冷裂倾向门。按照GB/T32260.2一2 0 15给出的试样形状和尺寸（见图1,图中t为试样厚度，W为孔径，W为坡口宽度，W,=W2,R为半径），将X80钢板加工成U形坡口及斜Y形坡口待焊试样。将待焊试样预热至80，保温1h后，采用林肯DC-400型直流焊接电源进行平焊位打底焊，焊接工艺参数参考X80钢管道现场焊条电弧焊工艺，具体如表4所示。打底焊结束后，将试验接头放置48 h，采用渗透法检测试验接头表面和根部裂纹。将U形坡口试验焊缝和斜Y形坡口试验焊缝进行等分切割，如63MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING夏培培，等：X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性2023机械工程材料200A-AA-A2006020试验焊缝试验焊缝W拘束焊缝AABWR(20.2)mmR091KAABB-B608060608060(a)U形坡口试样(b)斜Y坡口试样图1U形坡口和斜Y形坡口试样的尺寸Fig.1Size of U groove(a)and oblique Y groove(b)samples表4U形坡口和斜Y形坡口试样的焊接工艺参数Table4Welding process parameters of U groove and oblique Y groove samples坡口 焊条电流/电压/焊接速度/热输人/坡口焊条电流/电压/焊接速度/热输/类型型号AV(cmamin-1)(kJmm-l)类型型号AV(cmamin-1)(kJmm-l)LB-52U121144213013.901.101.86LB-52U121140233015.361.091.64U形 LB-55U120127253119.360.931.22斜Y形LB-55U122131243316.501.061.57LB-62U123135243211.091.602.34LB-62U121131232814.281.171.54图2 所示（图中L为8 0 mm），剖出5个断面，分别标记为M1M 5。对断面进行打磨、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在蔡司Stemi305型体视显微镜上观察断面宏观形貌，按照图3所示方式测定断面裂纹高度，计算断面裂纹率，公式如下：C,=(H/H)X 100%(1)式中：C，为断面裂纹率，%；H。为断面裂纹高度，mm;H为试验焊缝最小厚度，mm。LL/4L/4L/4L/4CCCM1M2M3M4M5拘束焊缝试验焊缝拘束焊缝(a)U形坡口LL/4L/4L/4L/4M1M2M3M4M5拘束焊缝试验焊缝拘束焊缝(b)斜Y坡口图2 U形坡口和斜Y形坡口焊接试样断面取样位置示意Fig.2Diagram of section sampling positions of U groove(a)and oblique Y groove(b)welded samples工(a)U形坡口(b)斜Y形坡口图3U形坡口和斜Y形坡口焊接试样试验焊缝最小厚度及断面裂纹高度测试示意Fig.3Diagram of minimum thickness measuring of test welds and section crack height of U groove(a)and oblique Y groove(b)welded samples64MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING夏培培，等：X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性2023机械工程材料管线钢焊接时，冷裂纹常起源于热影响区中的粗晶区。这是因为此处受焊接热影响最大，奥氏体晶粒严重长大，焊后快速冷却时容易产生粗大硬组织8 。因此，可以利用热影响区的淬硬倾向来衡量冷裂敏感性，即通过热影响区最高硬度来判断冷裂敏感性。采用VH1150型维氏硬度计测试焊接接头试样断面上母材、热影响区和焊缝区的硬度，载荷为98.0 7 N，保载时间为10 s，硬度测试点如图4所示，母材和热影响区各测6 个点取平均值，焊缝测4个点取平均值。热影响区热影响区母材613母材1231478910111415165焊缝12图4焊接接头试样断面维氏硬度测试点示意Fig.4Diagram of Vickers hardness testing points onsection of welded joint samples2试验结果与讨论2.1冷裂纹敏感指数由于X80钢及低氢焊条的碳含量较低，且含有多种合金元素，故采用日本工业标准（JIS)提出的公式计算冷裂纹敏感指数9，计算公式如下：Pem=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)+w(Cu)+w(Cr)/20+w(Ni)/60+w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)(2)式中：Pcm为冷裂纹敏感指数；w为质量分数。计算得到：X80钢的冷裂纹敏感指数为0.18 6，小于0.2 0，冷裂倾向不高；LB-52U、L B-55U 和LB-62U焊条的冷裂纹敏感指数分别为0.12 7,0.16 1，0.17 7，随着强度等级的提高，冷裂纹敏感指数增大，这表明采用高强级别低氢型焊条焊接的冷裂敏感性更大。2.2表面裂纹由图5可见，所有接头焊缝的表面均未发现裂纹缺陷，裂纹率为0。(a)U形坡口,LB-52U焊条(b)U形坡口,LB-55U焊条(c)U形坡口,LB-62U焊条(d)斜Y形坡口,LB-52U焊条(e)斜Y形坡口，LB-55U焊条(f)斜Y形坡口,LB-62U焊条图5大不同焊条、U形坡口和斜Y形坡口焊接试样经渗透检测后的形貌Fig.5 Morphology after penetration test of U groove(a-c)and oblique Y groove(d-f)welded samples with different covered electrodes:(a,d)LB-52U covered electrode;(b,e)LB-55U covered electrode and(c,f)LB-62U covered electrode2.3断面裂纹率由图6 可以看出，不论是U形坡口焊接试样还是斜Y形坡口焊接试样，其截面上均未发现裂纹，断面裂纹率均为0。如前所述，不同强度级别低氢焊条的冷裂纹敏感指数存在差异，强度等级越高，冷裂纹敏感指数越大，冷裂倾向越强。但通过上述2种自拘束冷裂纹试验发现，当焊前预热温度为80时，采用3种强度级别焊条对X80钢进行打底焊形成的焊缝均未产生冷裂纹，等强或高强匹配的低氢焊条并未表现出明显的冷裂倾向。冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度（大约在钢的马氏体转变温度M,附近)时产生的裂纹10 ，其65MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING夏培培，等X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性2023机械工程材料焊条型号M1断面M2断面M3断面M4断面M5断面LB-52ULB-55ULB-62U(a)U形坡口焊条型号M1断面M2断面M3断面M4断面M5断面LB-52ULB-55ULB-62U(b)斜Y形坡口图6 7不同焊条、U形和斜Y形坡口焊接试样不同位置断面宏观形貌Fig.6Morphology of section on different positions of U groove(a)and oblique Y groove(b)welded samples withdifferentcovered electrodes产生主要受材料淬硬性、接头含氢量及约束应力的影响。X80钢的硬性不高，施焊过程中所用的低氢型焊条氢含量不高，同时在预热条件下，焊后冷却速率减缓，氢加速扩散逸出，使得焊缝及热影响区的扩散氢含量降低，从而显著降低了冷裂敏感性。2.4维氏硬度由表5可以看出：所有U形坡口焊接试样和斜Y形坡口焊接试样断面的维氏硬度均在2 19 259HV，满足现行油气管道焊接规范中X80级焊接接头维氏硬度不大于30 0 HV的要求；由于焊接过程中热循环的作用，焊接热影响区硬度略高于其他区域，即热影响区淬硬倾向最大。对比2 种坡口形式、不同强度级别焊条打底焊的硬度测试结果，热影响区硬度差异较小，这说明与低强匹配焊条相比，等强或高强匹配焊条打底焊接头的硬倾向并未明显增大，冷裂敏感性不高。表5U形和斜Y形坡口焊接试样断面不同位置的维氏硬度Table 5Vickers hardness at different positions of section ofU groove and oblique Y groove welded samples维氏硬度/HV坡口形式焊条型号母材热影响区焊缝LB-52U236241219U形LB-55U233246238LB-62U237248234LB-52U230259249斜Y形LB-55U232236235LB-62U2372312223结 论（1）低氢型焊条的冷裂敏感指数随着强度等级提高而增大，理论上焊接接头的冷裂倾向也增大；但预热温度为8 0 时，采用3种强度级别低氢型焊条66（上接第2 9页）MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING夏培培，等：X80钢不同强度匹配打底焊接头的冷裂敏感性2023机械工程材料对X80钢板进行打底焊形成的焊缝表面和断面均未发现裂纹，断面裂纹率为0。（2）U 形坡口及斜Y形坡口焊接试样的截面维氏硬度均在2 192 59HV，满足现行油气管道规范中X80钢焊接接头硬度不大于30 0 HV的要求；2种坡口形式、不同强度级别焊条打底焊后，接头热影响区的硬度差异不大，说明与低强匹配焊条打底焊相比，等强及高强匹配焊条打底焊后接头的淬硬倾向并未明显增大，冷裂敏感性不高。等强和高强匹配焊条可用于X80钢的打底焊。参考文献：1安琳，徐学利.X80高强度管线钢的焊接性分析J.石油矿场机械，2 0 0 8,37(6)：2 7-30.AN L,XU X L.Study on weldability of X80 pipeline steelJJ.OilFieldEquipment,2008,37(6):27-30.2张辉宇，张瑞轩.油气长输管道裂纹缺陷产生原因J.无损检测,2 0 17,39(7)：7 3-7 5.ZHANG H Y,ZHANG R X.The causes of crack defects inlong distance oil and gas pipelineJJ.Nondestructive TestingTechnologying,2017,39(7):73-75.3王任甫，薛钢，王明林，等.结构钢焊接匹配性研究进展J.材料开发与应用，2 0 12，2 7（3）：6 4-6 8.WANG R F,XUE G,WANG M L,et al.Reviews of thestructure steels welding matching J.Development andApplication of Materials,2012,27(3):64-68.4孙咸.高强钢冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配的关系.电焊机，2 0 2 0,50(1)：2 1-2 8.SUN X.Relationship between the criterion of crack initiationsite for high-strength steel and the weld strength matchingJ.20HUG L.ZHU J F.YANG H B,et 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