700 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼抽油桿摩擦焊性能分析

馮 濤，孫克強(qiáng)，郁振其，王引真

（1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國(guó)石油天然氣管道局國(guó)內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊065000）

700 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼抽油桿摩擦焊性能分析

馮 濤1，孫克強(qiáng)1，郁振其2，王引真1

（1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國(guó)石油天然氣管道局國(guó)內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊065000）

利用摩擦焊對(duì)700 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼抽油桿進(jìn)行焊接。試驗(yàn)結(jié)果表明：超細(xì)晶粒鋼具有良好的摩擦焊焊接性，但需要嚴(yán)格控制其工藝參數(shù)。選取焊接工藝參數(shù)為摩擦壓力60 MPa、摩擦?xí)r間3 s、頂鍛壓力120 MPa、頂鍛時(shí)間1 s時(shí)，可有效抑制晶粒長(zhǎng)大。摩擦?xí)r間是影響軸向縮短量的最主要工藝參數(shù)。超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭主要由焊縫、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)組成。熱影響區(qū)出現(xiàn)了輕微的晶粒長(zhǎng)大，最大晶粒直徑為9～11 μm；摩擦焊接頭HAZ顯微硬度較母材降低4.13%，拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)715 MPa，斷面伸長(zhǎng)率22%，斷面收縮率68%，沖擊韌性可達(dá)98 J，呈典型的韌性斷裂。

超細(xì)晶粒鋼；摩擦焊；接頭組織；性能

抽油桿作為抽油機(jī)中的細(xì)長(zhǎng)桿件，上接總桿，下接抽油泵，起傳遞力矩的作用。由于井下復(fù)雜的工況及受力情況，要求抽油桿用鋼必須具有較好的強(qiáng)度、韌性和可焊性。超細(xì)晶粒鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，在石油石化行業(yè)中有良好的應(yīng)用前景，但焊接困難阻礙了其廣泛應(yīng)用［1-2］。超細(xì)晶粒鋼組織細(xì)小，晶粒有長(zhǎng)大傾向，對(duì)焊接熱循環(huán)非常敏感。焊接HAZ組織粗化、HAZ軟化以及由此造成的局部脆化和接頭整體力學(xué)性能的下降是主要問(wèn)題［3-6］。筆者利用摩擦焊對(duì)700 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼抽油桿進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，減少高溫停留時(shí)間，加強(qiáng)頂鍛壓力，可以有效地降低超細(xì)晶粒鋼焊接接頭晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)。

1　試驗(yàn)材料及方法

所用材料為通過(guò)成分微合金化和熱機(jī)軋制技術(shù)（TMCP）生產(chǎn)的熱軋態(tài)Φ13 mm直圓棒料，工件直線(xiàn)度經(jīng)人工矯直調(diào)整小于直徑的1%。母材組織為鐵素體+細(xì)珠光體，實(shí)際晶粒度達(dá)到了12級(jí)，鐵素體平均晶粒尺寸為5～7 μm。材料的化學(xué)成分及其力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、2，圖1所示為母材的顯微組織形貌。

表1　母材化學(xué)成分Table 1 Chemical components of base metal

表2　母材力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of base metal

圖1　母材顯微組織照片F(xiàn)ig.1 Microstructure of base metal

由于超細(xì)晶粒鋼本身的特性，本試驗(yàn)中嚴(yán)格控制試驗(yàn)參數(shù)，具體選取的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　超細(xì)晶粒鋼摩擦焊試驗(yàn)方案Table 3 Friction welding experiment scheme for ultrafine grained steel

2　試驗(yàn)結(jié)果及其分析

對(duì)焊好的試樣觀(guān)測(cè)飛邊形貌和軸向縮短量，并進(jìn)行接頭顯微組織觀(guān)察；按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按照GB/T 229-2007《夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。

2.1接頭宏觀(guān)形貌分析

焊接后選取典型接頭進(jìn)行對(duì)比，焊接規(guī)范偏弱、適中和偏強(qiáng)的接頭形貌見(jiàn)圖2。

圖2　焊接規(guī)范偏弱、適中、偏強(qiáng)接頭形貌Fig.2 Joint morphologies with weak，middle and strong welding conditions

由圖2（a）可見(jiàn)，當(dāng)焊接規(guī)范偏弱時(shí)，摩擦壓力小、摩擦?xí)r間短，接頭加熱不完全，接頭未形成完整的塑性變形層，頂鍛壓力小、頂鍛時(shí)間短，飛邊較小且有直立傾向。由圖2（b）可見(jiàn)，當(dāng)焊接規(guī)范適中時(shí)，能形成形狀完整、封閉圓滑的飛邊，且翻邊完整。當(dāng)焊接規(guī)范偏強(qiáng)時(shí)，形成了很厚的變形層和塑性金屬區(qū)，較大的頂鍛力導(dǎo)致接頭失穩(wěn)，形成了粗大且不對(duì)稱(chēng)的飛邊（圖2（c））。在材料性能和工件形狀一定的條件下，軸向縮短量反映了焊接工藝參數(shù)對(duì)摩擦焊的綜合作用效果。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，1～9號(hào)試樣的軸向縮短量分別為2.8、5.1、7.8、4.8、8.2、9.6、7.6、8.8和11.8 mm。對(duì)比工藝參數(shù)可知，在本試驗(yàn)條件下，對(duì)摩擦焊接頭軸向縮短量影響依次是：摩擦?xí)r間＞摩擦壓力＞頂鍛壓力＞頂鍛時(shí)間，這說(shuō)明在摩擦?xí)r間、摩擦壓力、頂鍛壓力適當(dāng)?shù)那疤嵯?，頂鍛時(shí)間1～2 s即可。

2.2接頭微觀(guān)組織分析

選取規(guī)范適中的5號(hào)摩擦焊接頭，對(duì)其進(jìn)行金相觀(guān)察，焊接接頭金相照片如圖3所示。為了研究方便，將超細(xì)晶鋼摩擦焊接頭分成4個(gè)區(qū)域：焊縫區(qū)WZ（weld zone）、熱力影響區(qū)HFZ（heat force affected zone）、熱影響區(qū)HAZ（heat affected zone）和母材BM（base metal）。從金相照片可見(jiàn)，越靠近融合線(xiàn)的區(qū)域，組織越致密，晶粒越細(xì)小。

圖3　摩擦焊接頭宏觀(guān)金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic analysis of friction welding joint

為了分析焊接接頭各個(gè)區(qū)域組織形貌以及晶粒尺寸受摩擦熱、軸向壓力、摩擦扭矩的作用而發(fā)生的變化，對(duì)接頭中不同區(qū)域進(jìn)行了金相分析，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，在熱影響區(qū)，晶粒因沿軋制導(dǎo)致的變形消失，變?yōu)榈容S晶粒，晶粒平均尺寸9～10 μm，與母材相比有所長(zhǎng)大。熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中未受到摩擦扭矩作用，僅受到傳導(dǎo)熱的作用，發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，但高溫停留時(shí)間短，且始終受到軸向壓力的作用，抑制了晶粒的長(zhǎng)大。熱力影響區(qū)的金屬在摩擦扭矩、軸向壓力以及摩擦熱的綜合作用下產(chǎn)生熱變形，發(fā)生了充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，生成了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒（圖4（c）），但晶界不明顯，主要由大量塊狀鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成，珠光體彌散、無(wú)序地分布在鐵素體周?chē)：缚p區(qū)晶粒非常細(xì)小，其金相組織在高倍顯微鏡下不可見(jiàn)，只可以看到該區(qū)有明顯金屬纖維流線(xiàn)，纖維的流動(dòng)方向與工件徑向一致（圖4（d）），這是由塑性金屬在頂鍛力作用下流動(dòng)所致。

圖4　摩擦焊接頭不同位置金相組織Fig.4 Metallographic composition of friction welding joint

細(xì)晶粒鋼焊接時(shí)，焊接接頭熱影響區(qū)是薄弱區(qū)域，將熱影響區(qū)逐步依次放大，并對(duì)微區(qū)點(diǎn)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭HAZ中晶粒略有長(zhǎng)大，點(diǎn)成分分析表明，所選位置主要為Fe，并含有少量的Mn，該部位仍為鐵素體+珠光體組織。

圖5　超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭HAZ形貌及成分分析Fig.5 HAZ microstructure and composition analysis on friction welding joint of ultrafine grained steel

2.3摩擦焊接頭性能分析

2.3.1接頭顯微硬度測(cè)試

圖6所示為超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭的顯微硬度測(cè)試結(jié)果。由圖6可見(jiàn)，焊縫、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)的顯微硬度與母材相比有很大差異：焊縫處硬度最高，達(dá)到297.1 HV，隨著距離融合線(xiàn)距離的增大，硬度值在總趨勢(shì)上是遞減的?？拷覆奈恢么嬖谝粋€(gè)軟化區(qū)，其硬度值為209.8 HV，相比母材下降4.13%，寬度約0.2 mm。

圖6　摩擦焊接頭硬度分布Fig.6 Hardness distribution of friction welding join

2.3.2接頭拉伸性能分析

表4為超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果，圖7為超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭拉伸試樣形貌。由表4及圖7可見(jiàn)，焊接參數(shù)選擇得當(dāng)時(shí)，超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭強(qiáng)度、斷面收縮率均不低于母材，但延伸率有所下降。

表4　摩擦焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results of friction welding joint

圖7　摩擦焊接頭拉伸試樣形貌Fig.7 Macrostructures of tensile test sample

2.3.3接頭沖擊韌性分析

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)晶鋼摩擦焊接頭沖擊韌性較好，最高可達(dá)98 J，超過(guò)母材15.3%，最低值為67 J，雖低于母材的沖擊韌性，但仍大大超過(guò)了普通低合金鋼。圖8所示為超細(xì)晶粒鋼沖擊斷口形貌。由圖8可見(jiàn)，沖擊試樣斷口凹凸不平，顏色深暗無(wú)金屬光澤，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特性，并從斷口的顯微形貌上可以看到明顯的被拉長(zhǎng)的韌窩。

圖8　摩擦焊接頭沖擊斷口形貌Fig.8 Fracture microstructures of friction welding joint

3　結(jié) 論

（1）超細(xì)晶鋼的摩擦焊焊接性好，本試驗(yàn)條件下，最佳焊接工藝參數(shù)為：摩擦壓力60 MPa、摩擦?xí)r間3 s、頂鍛壓力120 MPa、頂鍛時(shí)間1 s。在此工藝下能夠獲得100%焊合且無(wú)粗大夾雜、裂紋等缺陷的摩擦焊接頭，可減小熱影響區(qū)寬度并最大限度抑制其晶粒長(zhǎng)大。影響軸向縮短量的主要工藝參數(shù)為摩擦?xí)r間。

（2）超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭由焊縫、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成。焊縫和熱力影響區(qū)晶粒相對(duì)于母材進(jìn)一步細(xì)化；熱影響區(qū)晶粒直徑長(zhǎng)大至9～11 μm；越靠近焊縫中心線(xiàn)，組織越致密，晶粒越細(xì)化。

（3）在合適的焊接工藝參數(shù)下，超細(xì)晶粒鋼摩擦焊接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)715 MPa，延伸率為22%，斷面收縮率為68%，沖擊韌性可達(dá)98 J，斷面呈明顯韌性斷裂。

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（編輯 沈玉英）

Performance analysis of 700 MPa grade ultrafine grained steel friction welding for sucker rod

FENG Tao1，SUN Keqiang1，YU Zhenqi2，WANG Yinzhen1
（1.College of Mechanical&Electronic Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.China Petroleum Pipeline Bureau Domestic Division，Langfang 065000，China）

Friction welding was used in the welding of sucker rod of 700 MPa grade ultrafine grained steel.Experimental results show that ultrafine grained steel has good weldability of friction welding when the friction welding process parameters are strictly controlled.It indicates that the grain growth can be inhibited effectively when selecting the following experimental parameters：friction pressure of 60 MPa，friction time of 3 s，upset pressure of 120 MPa，upset time of 1 s.Friction time is the most important factor affecting the axial expansion allowance.Ultrafine grained steel friction welding joints are mainly composed of welding seam，thermal-mechanically affected zone（TMAZ）and heat affected zone（HAZ）.There is a slight grain growth with the maximum grain diameter of 9-11 μm in the heat affected zone.The performance analysis of welding joint shows that micro-hardness of friction welding joints is lower than that of the base metal of 4.13%.The tensile strength of the ultrafine grained steel friction welding joint is up to 715 MPa，with the cross section elongation percentage of 22%，the cross section contraction ratio of 68%and the impact toughness of 98 J，which shows a typical ductile fracture.

ultrafine grained steel；friction welding；joint structure；performance

TG 453

A

1673-5005（2015）03-0165-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.03.023

2014-06-22

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014GGX103013）

馮濤（1978-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樘胤N材料的焊接。E-mail：ft_210750@163.com。

引用格式：馮濤，孫克強(qiáng)，郁振其，等.700 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼抽油桿摩擦焊性能分析［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，39（3）：165-169.

FENG Tao，SUN Keqiang，YU Zhenqi，et al.Performance analysis of 700 MPa grade ultrafine grained steel friction welding for sucker rod［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（3）：165-169.