焊后熱處理對水下摩擦疊焊焊接接頭質(zhì)量的影響

閆景鵬，劉 濱

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461；2.中國建筑第二工程局有限公司，北京100160）

焊后熱處理對水下摩擦疊焊焊接接頭質(zhì)量的影響

閆景鵬1，劉 濱2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461；2.中國建筑第二工程局有限公司，北京100160）

基于摩擦疊焊技術(shù)特點(diǎn)，研究不同的焊后熱處理工藝對水下摩擦疊焊焊接接頭質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：焊后熱處理能夠明顯細(xì)化水下摩擦疊焊焊接接頭的組織晶粒，降低焊接接頭的硬度，提高拉伸強(qiáng)度和彎曲性能。

水下摩擦疊焊；DH36鋼；顯微組織；焊后熱處理

0 前言

我國石油天然氣工業(yè)在近些年獲得蓬勃發(fā)展，水下金屬結(jié)構(gòu)在服役期間經(jīng)常出現(xiàn)因海水腐蝕、疲勞腐蝕、疲勞損傷和外物撞擊等引起的缺陷和局部失效等問題。目前國內(nèi)只能獨(dú)立開展淺水犧牲陽極等非重要結(jié)構(gòu)物的水下濕法焊接或者半干式焊接修復(fù)，重要結(jié)構(gòu)物的水下修復(fù)仍依靠國外先進(jìn)的水下設(shè)備和技術(shù)，作業(yè)費(fèi)用較高[1-2]。

水下摩擦疊焊是通過一系列相互搭接的成型單元實(shí)現(xiàn)裂紋等的修復(fù)，其基本原理是：高速旋轉(zhuǎn)的圓錐塞棒在軸向壓力作用下與事先加工好的凹孔摩擦剪切，由于摩擦熱的作用，塞棒前端將成為熱塑性狀態(tài)，在摩擦剪切力的作用下快速填充凹孔形成摩擦塞焊縫，多個(gè)摩擦塞焊焊縫相互疊加便形成了摩擦疊焊焊縫。與傳統(tǒng)的水下干法或濕法熔焊相比，摩擦疊焊具有對水深不敏感、焊接效率高、易于自動(dòng)化和焊縫質(zhì)量好等優(yōu)勢。但水下摩擦疊焊焊縫尤其是第二道焊縫仍存在質(zhì)量問題，主要原因是第一道焊縫硬度過高，過高的硬度既會(huì)導(dǎo)致鉆孔后塞孔形狀尺寸精度差，又會(huì)影響材料在焊接過程中的流動(dòng)性，所以本研究擬通過焊后熱處理的方法，降低第一道先焊焊縫單元的硬度，從而改善第二道焊縫單元孔的加工精度與第二道焊接時(shí)塑性金屬的流動(dòng)性，為水下摩擦疊焊接頭的質(zhì)量優(yōu)化指明方向[3-5]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)選用自主研發(fā)的水下摩擦疊焊設(shè)備，設(shè)備裝置及焊接過程如圖1所示。焊接試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括焊接主軸頭、機(jī)架、液壓泵站，并配備自動(dòng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)覆臑镈H36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼。塞棒材料為LF2低溫鋼，其化學(xué)成分經(jīng)測定見表1，力

學(xué)性能見表2。所有試驗(yàn)在200 mm×100 mm×40 mm的長方體DH36鋼板上進(jìn)行。

圖1 水下摩擦疊焊設(shè)備裝置

表1 母材及塞棒材料化學(xué)成分％

表2 母材及塞棒材料的基本力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

焊后熱處理試驗(yàn)共分為三組進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。第一組試驗(yàn)A為沒有經(jīng)過回火的狀態(tài)。第二組試驗(yàn)B為對第一道先焊焊縫進(jìn)行回火。第三組試驗(yàn)C為首先對第一道先焊焊縫進(jìn)行回火，隨后在進(jìn)行完第二道焊縫焊接后再進(jìn)行一次回火?；鼗鸱椒樵诒貭t中將試件加熱至550℃，保溫1 h，然后隨爐緩冷。

表3 焊后熱處理對接頭質(zhì)量影響試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌與顯微組織分析

圖2a為未經(jīng)過熱處理的接頭截面宏觀形貌以及拐角處放大后的形貌。由于第一道先焊焊縫帶來過高的硬度，導(dǎo)致鉆孔形狀尺寸精度差，雖然改用了硬質(zhì)合金鉆頭，但是硬質(zhì)合金鉆頭脆性較大，鉆頭在硬度過高的母材上開孔時(shí)容易發(fā)生破損，嚴(yán)重影響了塞孔質(zhì)量，無法實(shí)現(xiàn)焊縫的可靠連接。圖2b為第一道先焊焊縫經(jīng)過熱處理的接頭截面的宏觀形貌以及拐角處放大后的形貌。由于第一道先焊焊縫硬度值大幅降低，通過硬質(zhì)合金鉆頭的鉆孔，可以得到形狀尺寸良好的中間塞孔。并且，在后焊焊縫單元焊接的過程中，其相應(yīng)的母材組織由于熱處理后硬度的降低，焊接過程中在熱塑性狀態(tài)下的流動(dòng)性可以大大提升，從底部拐角處局部放大的形貌圖可以觀察到，沒有明顯的焊接缺陷生成。

圖2 未經(jīng)過熱處理與經(jīng)過熱處理的接頭截面的宏觀形貌

試驗(yàn)過程中對不同熱處理狀態(tài)下的金相組織進(jìn)行了分類，分別在光學(xué)顯微鏡下觀察沒有熱處理、僅對第一道焊縫進(jìn)行熱處理、兩道焊縫結(jié)束均熱處理的焊縫截面的典型金相組織，如圖3所示。未經(jīng)過焊后熱處理的焊縫在強(qiáng)烈的淬火作用下形成的馬氏體晶粒見圖3a。圖3b為僅對第一道焊縫進(jìn)行熱處理的焊縫截面的典型金相組織，由于測得的最高硬度值下降了約100 HV10，其金相組織也有了明顯的回火特征，可以觀察到回火馬氏體組織以及在鐵素體基體中彌散分布的細(xì)小滲碳體顆粒。圖3c為兩道焊縫結(jié)束均熱處理的焊縫截面的典型金相組織，可以觀察到組織晶粒進(jìn)一步細(xì)化，由于再結(jié)晶的作用，馬氏體與貝氏體的形貌不再明顯，彌散細(xì)小的滲碳體顆粒更加密集。

圖3 焊縫典型金相組織

2.2 焊后熱處理接頭硬度分布規(guī)律

圖4為未經(jīng)過熱處理的水下摩擦疊焊試樣截面距離上表面分別為5 mm、9 mm、13 mm的硬度測試結(jié)果。圖5為第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理的接頭截面硬度測試結(jié)果。圖6為第一道與第二道焊縫均進(jìn)行熱處理的接頭截面硬度測試結(jié)果。

圖4 未經(jīng)熱處理接頭硬度測試結(jié)果

圖5 第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理的接頭截面硬度測試結(jié)果

圖6 第一道與第二道均熱處理的接頭截面硬度測試結(jié)果

由圖4可知，未經(jīng)熱處理的接頭截面的焊縫區(qū)的硬度分布較為均勻，左側(cè)先焊焊縫的硬度平均值為353 HV10；中間孔后焊焊縫單元的硬度平均值為361 HV10，由于焊接過程中強(qiáng)烈的淬火作用導(dǎo)致焊縫區(qū)的硬度值非常高，不利于后續(xù)的鉆孔過程和連接質(zhì)量。

由圖5可知，對于第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理的接頭截面，焊縫區(qū)的硬度分布顯示，左側(cè)經(jīng)熱處理焊縫單元硬度低于后焊未熱處理的焊縫單元。左側(cè)先焊并熱處理焊縫單元的硬度平均值308 HV10，后焊未熱處理的焊縫單元硬度平均值為366 HV10。經(jīng)熱處理后焊縫區(qū)的平均硬度大約降低了70HV10，最高硬度降低了約100 HV10。

由圖6可知，對于第一道和第二道焊縫均熱處理的接頭截面，焊縫區(qū)的硬度分布較為均勻，左側(cè)焊縫經(jīng)過第二次熱處理后的硬度與經(jīng)歷完第一次熱處理相比并未有明顯降低。中間孔后焊焊縫單元經(jīng)歷完熱處理后，硬度降低了約36 HV10，下降程度小于左側(cè)先焊焊縫，但其硬度的最高值下降了約100 HV10。

2.3 焊后熱處理接頭沖擊性能

焊后熱處理接頭沖擊性能測試共分為三組，分別為未經(jīng)過熱處理（A）、第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理（B）、第一道與第二道焊縫均熱處理（C），沖擊試驗(yàn)的截取位置及尺寸如圖7所示，試驗(yàn)溫度-20℃，沖擊試件尺寸55 mm×10 mm×5 mm。

圖7 焊接接頭縱向截面沖擊試樣截取位置及幾何尺寸

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由于硬質(zhì)合金鉆頭的使用，3組試件的沖擊性能提高了很多，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金鉆頭硬度高，可以得到形狀尺寸較高的塞孔。未回火接頭的平均沖擊性能為33.3 J，第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理接頭的平均沖擊性能為37 J，在對第一道先焊焊縫單元進(jìn)行回火后不但提升了其自身的沖擊性能，后焊焊縫單元的沖擊性能同樣得到了提高。在摩擦疊焊過程結(jié)束后進(jìn)行第二次回火，下側(cè)沖擊性能略有提升。

表4 焊后熱處理接頭沖擊性能（-20℃）

2.4 焊后熱處理接頭拉伸性能

拉伸試件共分為3組，分別為未經(jīng)熱處理試件、第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理試件、第一道與第二道焊縫均熱處理試件，拉伸試樣截取位置及尺寸見圖8，每組水下摩擦疊焊接頭切取兩個(gè)拉伸試件。圖9為焊后熱處理試驗(yàn)水下摩擦疊焊接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 焊接接頭縱向截面拉伸試樣截取位置及幾何尺寸

圖9 焊后熱處理試驗(yàn)水下摩擦疊焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

母材DH36的抗拉強(qiáng)度為530MPa，焊后熱處理試驗(yàn)中接頭的抗拉強(qiáng)度整體上明顯提升。未熱處理的試件平均抗拉強(qiáng)度為444.5 MPa，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金鉆頭的使用提高了塞孔的形狀尺寸精度，塞孔的形狀尺寸對于焊接過程開始后熱塑性材料的流動(dòng)性影響明顯，直接影響著焊縫質(zhì)量，提高了接頭的連接質(zhì)量和拉伸性能。第一道先焊焊縫進(jìn)行熱處理試件的平均抗拉強(qiáng)度為465.5MPa，達(dá)到母材的87.8％，第一道焊縫回火后硬度的降低對水下摩擦疊焊接頭的連接質(zhì)量有一定程度的提升。第一道與第二道焊縫均熱處理試件的平均抗拉強(qiáng)度為471.5 MPa，達(dá)到母材的89.0％，接近母材強(qiáng)度的90％，相比僅對第一道焊縫進(jìn)行回火的試件，拉伸性能略有提升但差別較小。

2.5 焊后熱處理接頭彎曲性能分析

對不同熱處理溫度的試件彎曲性能進(jìn)行了測試。熱處理路線為分別在550℃、600℃、650℃進(jìn)行1 h保溫。550℃回火所得試件彎曲性能良好，兩側(cè)先焊焊縫處所得彎曲試件的彎曲角度為180°，這與水下摩擦疊焊質(zhì)量分析試驗(yàn)中兩側(cè)先焊焊縫單元質(zhì)量優(yōu)于后焊中間焊縫單元的試驗(yàn)結(jié)果相一致。通過行之有效的熱處理試驗(yàn)，既提高了第一道先焊焊縫的彎曲性能，又通過降低硬度來優(yōu)化中間后焊焊縫單元的質(zhì)量和性能，并且硬度的降低可以簡化鉆孔流程。

3 結(jié)論

（1）未進(jìn)行熱處理的水下摩擦疊焊接頭，其組織中存在大量的馬氏體；而經(jīng)過一次熱處理后，接頭組織中的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體以及在鐵素體基體中彌散分布的細(xì)小滲碳體顆粒，經(jīng)過兩次熱

處理后，組織中晶粒細(xì)化更加明顯，彌散細(xì)小的滲碳體顆粒更加密集。

（2）熱處理對降低水下摩擦疊焊接頭的硬度有益，經(jīng)過兩次熱處理后，硬度下降約100 HV。

（3）經(jīng)過熱處理后，水下摩擦疊焊焊接接頭的沖擊性能有所提高，但兩次熱處理與一次熱處理對接頭韌性的改善程度接近，因此焊接接頭的沖擊性能并不會(huì)隨著熱處理的次數(shù)增多而有更大的提升。

（4）熱處理工藝對水下摩擦疊焊焊接接頭的彎曲性能有明顯改善作用。

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Effect of heat treatment on the quality of welded joint of underwater friction stitch welding

YAN Jingpeng1，LIU Bin2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd，Tianjin 300461，China；2.China Construction Second Engineering Bureau Ltd，Beijing 100160，China）

Based on the characteristics of friction welding technology，the influence of the post weld heat treatment process on the friction welding joint underwater is analyzed.The results showthat the microstructure of the friction welded joint can be refined，and the hardness can be reduced，the tensile strength and bendingproperties alsocan be improved bypost weld heat treatment process.

underwater friction stitch welding；DH36 steel；microstructure；post weld heat treatment

TG456.5

A

1001－2303（2016）07－0116-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.27

2016-06-17

閆景鵬（1982—），男，遼寧人，碩士，主要從事項(xiàng)目管理工作。