冷卻環境對DH36鋼摩擦疊焊接頭連接質量的影響

許 威，楊 帆，宋國祥，滕金虎，王志江，王東坡

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室，天津300350)

冷卻環境對DH36鋼摩擦疊焊接頭連接質量的影響

許 威1，楊 帆1，宋國祥1，滕金虎2，王志江2，王東坡2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室，天津300350)

為了確定摩擦疊焊方法在不同海域的應用條件，采用天津大學自主研制的摩擦疊焊設備，分別在水溫2～3℃和水溫18～20℃條件下，對DH36鋼進行了水下摩擦疊焊工藝試驗。試驗結果表明，水溫高(18～20℃)時的摩擦疊焊接頭質量明顯優于水溫低(2～3℃)時的接頭質量，接頭拐角處的缺陷長度較??；水溫低(2～3℃)時，焊縫中心組織主要為板條馬氏體，局部區域有少量板條貝氏體組織，水溫高(18～20℃)時，焊縫中心組織主要為板條貝氏體。

焊接；摩擦疊焊；DH36鋼；冷卻溫度；微觀組織

隨著我國油氣資源的開發不斷向深海領域傾斜，海洋石油天然氣在國家經濟長期發展與規劃中占有重要地位。目前國內海洋管線及平臺結構已運行多年，在役結構難免會出現各種缺陷。采用電弧焊對水深＞40m的缺陷進行修復時，經常出現電弧不穩以及焊縫成形不良等問題；當水深＞50m時，焊接過程需要在干式艙中進行，成本較高。圓錐塞棒摩擦疊焊因具有對水深不敏感、易于自動化和焊縫質量好等優勢，有望成為深水結構物修復的有效解決方案。

英國焊接研究所于1992年發明摩擦塞焊技術并申請了專利[1]，歐盟先進工業團體及研究機構已投入大量的人力和財力進行相關研究，例如Meyer等人[2]對空氣中摩擦疊焊接頭的組織性能進行了深入研究，國內對于摩擦塞焊研究[3-6]起步較晚，崔雷等人[7-10]通過大量試驗提出了摩擦塞焊在空氣及水中的工藝參數范圍。為了確定摩擦疊焊方法在不同海域的應用條件，針對16mm孔深的DH36鋼摩擦疊焊接頭，探討了冷卻環境對DH36鋼摩擦疊焊接頭連接質量、微觀組織、顯微硬度的影響。

1 試驗方法

試驗母材為DH36結構鋼，抗拉強度532MPa，塞棒材料為ASTM A350-LF2低溫鋼(以下簡稱LF2)，母材和塞棒的主要化學成分見表1，摩擦疊焊過程采用的焊接參數見表2。采用圓錐形塞孔塞棒幾何形狀組合，具體形狀及尺寸如圖1所示。

表1 DH36鋼和LF2鋼的化學成分

表2 DH36鋼摩擦疊焊焊接工藝參數

圖1 塞孔塞棒的形狀及尺寸

水下摩擦疊焊焊接設備由天津大學自主開發研制，試驗采用大量摩擦疊焊單元焊接過程優化后的工藝參數[7-8]，主軸轉速為7 000 r/min，焊接壓力與頂鍛壓力分別為35kN和40kN，頂鍛時間為5s，焊接過程中塞棒消耗量為14mm。疊焊焊縫由3個相互疊加的摩擦塞焊單元焊縫組合而成，首先進行兩側單元焊縫的焊接，其中心距離為24mm。去除塞棒殘留后，在兩側單元焊縫的中心位置進行中間焊縫的焊接，焊后沿接頭中軸線進行線切割，觀察摩擦疊焊接頭截面形貌、顯微組織，并進行硬度測試。

2 試驗結果及討論

2.1 不同水溫條件下摩擦疊焊接頭的連接質量

不同冷卻環境下得到的水下摩擦疊焊接頭的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可見，兩個焊接接頭的連接質量并不相同。摩擦疊焊各個位置處的缺陷長度統計結果見表3。

圖2 不同冷卻環境下得到的水下摩擦疊焊焊接接頭的宏觀照片

表3 摩擦疊焊焊接接頭各位置的缺陷長度

由圖2和表3可以看到，位置1為兩側單元孔的圓弧過渡處，當水溫較低(2～3℃)時，該位置易產生未焊合缺陷，缺陷長度達到了1.37mm；而當水溫較高(18～20℃)時，在兩側單元孔的圓弧過渡處實現了完全的冶金連接，未觀察到缺陷。位置2的缺陷可能因兩個因素造成，一是兩側單元孔焊接時出現的裂紋(中間鉆孔后的剩余部分裂紋)，二是中間孔焊接過程中由于施加了較大的軸向壓力而導致的開裂。對于試樣1，兩側單元孔焊接完畢時在圓弧過渡處存在裂紋，中間孔鉆孔過程中去除掉一部分裂紋，但在中間孔焊接過程中，因施加了較大的軸向壓力，該裂紋繼續擴展，最終長度為2.25mm。而對于試樣2，兩側單元孔焊接完畢時在圓弧過渡處并不存在裂紋，但在中間孔焊接過程時，因施加了較大的軸向壓力，導致兩側單元孔圓弧界面沿著結合線開裂，裂紋長度達1.13mm。位置3為中間孔的圓弧過渡處，兩個試樣中該處均存在一定長度的裂紋，而且裂紋的長度要比單元孔焊接時長，這是二者孔側壁的材料性質變化導致的。對于單元孔，其孔的側壁為DH36母材，LF2塞棒的硬度、熱導率等參數與之是匹配的，在摩擦塞焊過程中二者的消耗速率基本相同，這有利于獲得質量優異的摩擦疊焊接頭，而對于摩擦疊焊的中間孔，孔側壁的組織發生了轉變，由原來的鐵素體和珠光體帶變成了含有馬氏體和貝氏體的組織，硬度明顯上升，熱導率等熱物理性質也發生了較大變化，這導致摩擦塞焊過程中塞孔和塞棒的消耗速率不同，難以獲得質量優異的接頭。

2.2 不同水溫條件下摩擦疊焊接頭顯微組織與硬度

試樣1和試樣2焊縫中心的顯微組織如圖3所示。由圖3可見，兩個試樣焊縫中心的顯微組織有所不同，試樣1主要為板條馬氏體，局部區域有少量板條貝氏體組織，而試樣2的焊縫中心組織主要為板條貝氏體。

焊縫組織不同導致兩種焊接條件下得到的摩擦疊焊接頭硬度也不同。試樣1焊縫中心硬度在400HV10左右，試樣2焊縫中心硬度在355HV10左右。冷卻環境對摩擦疊焊接頭硬度影響較大，這主要是由于冷卻環境影響了摩擦疊焊試樣焊接過程中的冷卻速度，冷卻環境越強，冷卻速度越大，越容易出現馬氏體等淬火組織，這對于獲得硬度達標的摩擦疊焊接頭是不利的。在實際焊接生產中，要盡量改善冷卻環境以降低接頭硬度，進而提高摩擦疊焊接頭質量。

圖3 摩擦疊焊焊縫中心的顯微組織

3 結 論

(1)水溫高(18～20℃)時的摩擦疊焊接頭質量明顯優于水溫低(2～3℃)時的接頭質量，接頭拐角處的缺陷長度較小。

(2)水下摩擦疊焊接頭焊縫中心的組織在不同冷卻環境下有所不同，水溫低(2～3℃)時，主要為板條馬氏體，局部區域有少量板條貝氏體組織；水溫高(18～20℃)時，焊縫中心組織主要為板條貝氏體。因此造成了不同冷卻環境摩擦疊焊接頭硬度的不同。

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[6]張寶生，焦向東，陳家慶，等.FHPP單元成形過程初期階段的熱力耦合分析[J].焊接學報，2008，29(5)：73-76.

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Effect of Cooling Environment on the Joint Connection Quality of DH36 Steel Friction Stitch Welding

XU Wei1,YANG Fan1,SONG Guoxiang1,TENG Jinhu2,WANG Zhijiang2,WANG Dongpo2
(1.Offshore Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China;2.Key Laboratory of Modem Connection Technology,Tianjin University,Tianjin 300350,China)

In order to determine the application conditions of friction stitch welding methodin different sea area,adopting the friction stitch welding equipment,developed by Tianjin University,to conduct underwater friction stir welding process test for DH36 steel,respectively at the temperature of 2～3℃ and 18～20℃.The test results indicated that when water temperature is high(18～20 ℃),the friction stitch welding joint quality is obviously better than that of friction stitch welding when the water temperature is low(2～3 ℃),the defects length of the joint corner is smaller;when water temperature is low(2～3 ℃),the weld microstructure is mainly composed of martensite,a small amount of lath bainitein local area,when the temperature is high(18～20 ℃),weld center organization is mainly lath bainite.

welding;friction stitch;DH36 steel;cooling temperature;microstructure

TG456.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.001

許 威(1979—)，博士，高級工程師，主要從事焊接機構可靠性、水下焊接等方面的研究。

2016-09-14

謝淑霞