مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

شبیه سازی عددی و مشاهدات تجربی اثر عملیات حرارتی پس از جوشکاری بر ریز ساختار و سختی فولاد API 5L X65

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در این پژوهش، رفتار حرارتی-متالورژیکی فرآیند جوشکاری تیگ (TIG) اتوماتیک و عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت بر روی فولاد کم‌آلیاژ استحکام بالای خط لوله API 5L X65 به‌صورت عددی و تجربی بررسی شد. بدین منظور، یک مدل سه‌بعدی اجزای محدود با استفاده از منبع حرارتی حجمی دوبیضوی گلداک در نرم‌افزار SYSWELD توسعه یافت و خواص وابسته به دمای فولاد در آن تعریف شد. به‌موازات مطالعه عددی، نمونه‌های واقعی با پارامترهای جوشکاری یکسان تولید شدند و پس از اعمال PWHT، تحت آزمون‌های متالوگرافی و ریزسختی‌سنجی ویکرز مطابق با استاندارد ASTM E384 قرار گرفتند.

نتایج نشان داد که ابعاد حوضچه مذاب پیش‌بینی‌شده در مدل عددی (بر مبنای مرز ذوب ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) با عمق ۲ میلی‌متر و عرض ۶/۵ میلی‌متر، تطابق دقیقی با مقطع عرضی واقعی جوش دارد. علاوه بر این، عرض و عمق منطقه HAZ در شبیه‌سازی، انطباق کاملی با نمونه‌های تجربی داشت. ارزیابی‌ها نشان داد که مدل، پیک سختی ۴۵۰ ویکرز را برای ناحیه ذوب پیش‌بینی می‌کند که تطابق خوبی با مقدار تجربی (۴۶۰ ویکرز) نشان می‌دهد.در شرایط جوشکاری‌شده (پیش از عملیات حرارتی)، به دلیل تشکیل مارتنزیت ناپایدار، سختی از مرز بحرانی ۴۰۰ ویکرز (طبق استاندارد NACE MR0175/ISO 15156) فراتر می‌رود. پس از اعمال PWHT، پیک سختی به‌طور یکنواخت حدود ۱۰۰ واحد کاهش می‌یابد و به محدوده ایمن ۳۵۰ ویکرز می‌رسد که این امر ناشی از تمپر شدن مارتنزیت و بازتوزیع کربن است. در نهایت، هم‌خوانی بین نتایج عددی و تجربی، صحت مدل توسعه‌یافته را تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical Simulation and Experimental Observations of the Effect of Post-Weld Heat Treatment on the Microstructure and Hardness of API 5L X65 Steel

نویسندگان English

naeim minaee
Hamid Reza Shaverdi
Reza Miresmaeili
tarbiat modares university
چکیده English

In this study, the thermal-metallurgical behavior of the automatic TIG welding process and post-weld heat treatment (PWHT) at 600 °C for one hour on API 5L X65 high-strength low-alloy pipeline steel was investigated numerically and experimentally. For this purpose, a three-dimensional finite element model using Goldak's double-ellipsoid volumetric heat source was developed in SYSWELD software, and the temperature-dependent properties of the steel were defined. Parallel to the numerical study, actual samples were produced with identical welding parameters and, after applying PWHT, were subjected to metallography and Vickers microhardness tests according to the ASTM E384 standard. The results showed that the melt pool dimensions predicted in the numerical model (based on the 1500 °C melting boundary) with a depth of 2 mm and a width of 6.5 mm accurately match the actual weld cross-section. Additionally, the width and depth of the HAZ region in the simulation were in complete agreement with experimental samples. Evaluations indicated that the model predicts a peak hardness of 450 Vickers for the fusion zone, showing good agreement with the experimental value (460 Vickers). In the as-welded condition, due to the formation of unstable martensite, the hardness exceeds the critical limit of 400 Vickers (according to NACE MR0175/ISO 15156). After applying PWHT, the peak hardness uniformly decreases by approximately 100 units and reaches the safe range of 350 Vickers, which is caused by the tempering of martensite and redistribution of carbon. Ultimately, the consistency between numerical and experimental results confirms the accuracy of the developed model

کلیدواژه‌ها English

API 5L X65 Pipeline Steel
Post-Weld Heat Treatment (PWHT)
Thermo-Mechanical-Metallurgical Finite Element Simulation
SYSWELD
Vickers Hardness Profile
Experimental Validation
[1]      A. Tahaei, B. Bagheri, V. Mahmoud, A. Matia, M. Chiara, Microstructure and mechanical properties of weld joint in submerged arc welded API X65 steel pipeline, (2026) 2373–2384.
[2]      Non-Destructive Monitoring of the Effect of Artificial Aging on API X65 Pipeline Welded Joints, 35 (2026) 6910–6922. https://doi.org/10.1007/s11665-025-12044-1.
[3]      C. Zhu, Y. Yan, Y. Sun, Y. Liu, L. Xu, International Journal of Pressure Vessels and Piping The effect of abnormal base metal hardness on stress corrosion cracking susceptibility of coarse-grained heat-affected zone of X65 pipeline steel, 222 (2026).
[4]      X. Wang, S. Lin, T. Jiao, J. Li, Z. Xie, C. Shang, Effect of acicular ferrite on microstructure stability and low-temperature impact toughness of simulated CGHAZ in X65 grade submarine pipeline steel, 44 (2026) 65–75.
[5]      J. Ali-lavroff, E. Begovic, D. Boote, A. Egorov, M. Rodriguez, A. Salcedo, H. Seyffert, J. Souppez, L. Toshkov, N. Vladmir, F. Wang, SHIP AND OFFSHORE STRUCTURES, 2025.
[6]      A. Cosham, N.P. Engineering, N. Tyne, The Development of Supplements to IGEM / TD / 1 Edition 6 and IGEM / TD / 13 Edition 2 for Hydrogen Service, (2022).
[7]      D. Han, Y. Xiao, Y. Cheng, F. Wang, X. Liu, L. Xu, Y. Han, Effect of High- ­ Pressure Natural Gas / Hydrogen Mixed Environment on the Fatigue Life of X65 Pipeline Steel Welded Joints, (2026) 4042–4055. https://doi.org/10.1111/ffe.70367.
[8]      Y. Sun, S. Yu, B. Wang, L. Liu, E. Liu, T. Feng, Interface Microstructure and Mechanical Properties of Nickel / Steel Bimetal Composite Pipe Fabricated by Explosive Welding, (2024).
[9]      S. Ramirez, H. Carreon, applied sciences Study of the Precipitation Process in Aging Steel Pipeline Weldments by Thermoelectric Power Means, (2018) 2–9. https://doi.org/10.3390/app8091489.
[10]    E. Science, Effect of Welding Process Parameters on the Mechanical Properties of TIG and MIG Welds in HSS X65 Pipe-A Review Effect of Welding Process Parameters on the Mechanical Properties of TIG and MIG Welds in HSS X65 Pipe-A Review, (n.d.). https://doi.org/10.1088/1755-1315/1322/1/012009.
[11]    X. Fu, H. Yuan, Y. Xu, X. Li, L. Li, Z. Wang, B. Han, Comparative Study on Microstructure and Mechanical Properties of Fusion Zones in X65 / Ni825 Bimetallic Pipe Welds with Different Filler Metals, (2026) 1–19.
[12]    J. Sun, N. Ma, D. Deng, J. Hensel, K. Dilger, Softening and hardening effects of welding on residual stresses of ultra-high strength steels, 43 (2026) 2974–2990.
[13]    J. Vora, Investigation on mechanized pulsed GMAW process for sour-service pipeline welding, High Temp. Mater. Process. 45 (2026) 1–10. https://doi.org/10.1515/htmp-2025-0121.
[14]    G. Rogalski, International Journal of Pressure Vessels and Piping Behavior of API 5L X65 pipeline steel in underwater wet welding conditions by applying temper bead welding technique, 220 (2026).
[15]    K. Erxleben, S. Kaiser, M. Rhode, T. Kannengiesser, A. Kromm, In-service and repair welding of pressurized hydrogen pipelines – a review on current challenges and strategies, Weld. World 69 (2025) 3141–3164. https://doi.org/10.1007/s40194-025-02127-x.
[16]    Y. Wang, L. Li, G. Lehnhoff, Crystallographic texture before and after post weld heat treatment of high-frequency electric resistance welded API X65 linepipe, (2026). https://doi.org/10.1177/02670836241309815.
[17]    J. Sun, T. Nitschke-pagel, K. Dilger, Influence of temperature- and phase-dependent yield strength on residual stresses in ultra-high strength steel S960 weldments, (2021).

  • تاریخ دریافت 30 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 04 مهر 1404