低碳贝氏体型管线钢激光-MAG复合焊接接头的微结构调控及其增韧机理

The toughening of low carbon bainitic steel X100/X120 welded joints is a key problem restricting the application of the material. Fiber laser -MAG hybrid welding provides a new connection method for butt welding of X100/X120 pipeline. However, it is not possible to achieve the controlling in the shape and performance of microstructure in welded joints only by optimizing welding process, such that the toughness of welded joints is difficult to meet requirements. Thus, based on welding metallurgy theory, this project introduces electromagnetic field into the fiber laser -MAG hybrid welding process, to realize the effective control of the size and the quantity of nano-scale titanium oxides inducing acicular ferrite nucleation in weld pool. This project will study the control mechanism of phase transformation of acicular ferrite and M-A constituent in the welded joints during rapid cooling process, confirm the control mechanism and technology of multiphase microstructure in welded joints, study the relationship between microstructure and toughness of welded joints, reveal the new mechanism of laser -MAG hybrid welded joint toughening and put forward the new technology that using welding wire with low strength high toughness to obtain the fusion zone with high strength. The successful implementation of the project will realize the controllable preparation of fiber laser -MAG hybrid welded joints and rich the welding metallurgy theory during fiber laser -MAG hybrid welding process.

低碳贝氏体型管线钢X100/X120焊接接头的强韧化是制约该材料应用的关键性问题之一。光纤激光-MAG复合焊接为X100/X120管道的对接环焊提供了一种新的连接方法，但仅通过优化其焊接工艺无法实现焊接接头微结构的控形控性，导致焊接接头韧性难以满足要求。对此，本项目基于焊接冶金学的基本原理，将电磁场引入至光纤激光-MAG复合焊接过程中，实现焊接熔池内纳米尺度含钛氧化物的尺寸和数量的有效控制，从而促进针状铁素体的非自发形核；研究快速冷却过程中焊接接头内针状铁素体和M-A组元等微结构的相变规律，明晰焊接接头多相微结构的调控机理及技术；研究焊接接头微结构与强韧性之间的本质关系，揭示激光-MAG复合焊接接头增韧的新机理，并提出“以低强高韧焊丝而获得高强韧焊缝”的新技术。项目的成功实施，将实现低碳贝氏体型管线钢激光-电弧复合焊接接头的可控制备，丰富激光-MAG复合焊接过程中的焊接冶金学理论。

低碳贝氏体型管线钢X100焊接接头的强韧化是制约该材料应用的关键性问题之一。光纤激光-MAG复合焊接为X100管道的焊接提供了一种新的连接方法，但仅通过优化其焊接工艺无法实现焊接接头微结构的控形控性，导致焊接接头韧性难以满足要求。针对该问题，本项目拟开展如下4个方面的研究内容：磁场辅助下激光-MAG 复合焊接熔池内含钛氧化物的析出行为及调控机理、激光-MAG复合焊接焊后快速冷却过程中焊缝多相微结构的控制机理、激光-MAG复合焊接过程中焊接热影响区的相变机理及调控、激光-MAG复合焊接的工艺-微结构-强韧性的研究。通过项目组4年研究工作的开展，已完成全部研究内容并达到项目的预期研究目标，具体情况如下： .本项目成功将交变磁场引入至激光-MAG复合焊接X100管线钢中，发现了交变磁场可显著改善焊缝内纳米尺寸含钛氧化物的分布，并提高板厚方向焊缝显微组织的均匀性，进而显著提升焊缝的强韧性；发现了激光-MAG复合焊缝内针状铁素体的形核机制为贫锰区机制，且焊缝内钛含量控制在0.07%时可获得含60%针状铁素体的复相组织，焊缝的冲击韧性可达到母材水平；给出了快速冷却过程中M-A组元的控制机制，发现热输入为4.6 kJ/cm时粗晶区组织具有最高的阻碍裂纹扩展能力和较低的裂纹形核能力；建立了焊接接头微结构与强韧性之间的本质关系，给出了激光-MAG复合焊接接头增韧的新机理，获得了“以低强高韧焊丝而获得高强韧焊缝”的新技术，即通过焊缝成分及热输入协同调控获得含有针状铁素体的复相组织进而显著提升焊接接头的强韧性，在保证X100管线钢焊接接头强度的同时，实现了焊接接头-10℃冲击功最低值不低于120J，平均值不低于160J的目标。.项目的成功实施，实现了低碳贝氏体型管线钢激光-电弧复合焊接接头的可控制备，丰富了激光-MAG复合焊接过程中的焊接冶金学理论。依托本项目，培养了9名研究生（其中博士研究生3名），撰写2项国家发明专利，在国内外重要期刊发表19篇论文（其中SCI论文14篇）。并且，该研究成果已经在国内外重要学术会议进行了4次口头报告交流，得到了国内重要钢铁厂如太钢、武钢以及西安管材所等专家的关注，也就该技术未来的推广应用达成初步意向。