s135鉆桿摩擦焊接、熱處理及其強韌性控制

s135鉆桿摩擦焊接、熱處理及其強韌性控制

上海寶山公司s135井桿由36rcnimo4a鋼圈連接和焊接而成。采用原焊接和感應(yīng)熱處理參數(shù)所焊接的接頭韌性一直偏低,存在質(zhì)量隱患,是該項產(chǎn)品能否優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),得到成功應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。西北工業(yè)大學(xué)與該公司合作開展“S135鉆桿摩擦焊接、熱處理及其強韌性控制”課題研究,并對其韌性損傷進行原因分析,提出了優(yōu)化慣性摩擦焊接及感應(yīng)熱處理參數(shù),提高了鉆桿摩擦焊接頭的強韌性水平。1試驗條件1.1試驗材料鉆桿工具接頭和管體材料均為36CrNiMo4A鋼,其原始熱處理為調(diào)質(zhì)態(tài)。鉆桿焊接截面外徑為131.7mm,內(nèi)徑為76.2mm。1.2原應(yīng)熱處理氣淬的頻率S135鉆桿慣性摩擦焊接在320B型摩擦焊機上進行,焊接參數(shù)見表1,鉆桿感應(yīng)熱處理參數(shù)見表2。原感應(yīng)熱處理(BHT)氣淬電流頻率為1.8kHz,加熱功率80kW,回火加熱功率80kW,電流頻率1.8kHz;現(xiàn)選用的感應(yīng)熱處理(OHT)電流頻率為1.65kHz,加熱功率180～200kW,回火加熱功率80kW,電流頻率為1.65kHz。2試驗結(jié)果2.1馬氏體和貝氏體部分是熱重的、自然原焊接規(guī)范(BWT)焊態(tài)試樣焊合區(qū)顯微組織主要是上貝氏體,部分為馬氏體、殘余奧氏體和下貝氏體;優(yōu)化的焊接規(guī)范(OWT)焊態(tài)試樣焊合區(qū)顯微組織主要是馬氏體、殘余奧氏體和下貝氏體,部分為上貝氏體;兩種焊接接頭熱影響區(qū)中馬氏體組織沿軸向漸趨細化、減少,而貝氏體組織漸趨細化、增加;在基本無塑性變形的不完全重結(jié)晶區(qū),具有不完全淬火狀態(tài)的馬氏體、貝氏體、屈氏體和鐵素體等多相組織,直至趨近母材焊前調(diào)質(zhì)狀態(tài)的回火索氏體和少量貝氏體。BWT焊接接頭經(jīng)淬回火處理,其焊合區(qū)顯微組織變得較為均勻,主要是回火索氏體,還有較多的貝氏體和鐵素體;OWT焊接接頭經(jīng)預(yù)正火、淬回火處理,其焊合區(qū)顯微組織變得均勻細小,主要是回火索氏體。兩種焊接接頭在趨近母材的區(qū)域均為回火索氏體、貝氏體和塊狀鐵素體等多相組織的失強軟化區(qū)。2.2調(diào)質(zhì)態(tài)試驗材料BWT焊接接頭焊合區(qū)晶粒粗大,達到3.5級,一般為4～5級;焊后經(jīng)淬回火為晶粒度3.5和9級的混晶組織。NKKS135調(diào)質(zhì)態(tài)試樣晶粒度為8～9級。OWT焊接接頭焊合區(qū)晶粒度為6～8級;焊后經(jīng)預(yù)正火、淬回火,晶粒度達到10.5～12級。與寶鋼原產(chǎn)鉆桿和NKKS135鉆桿相比,晶粒明顯細化,且沿軸向均勻分布。焊接接頭晶粒度分布見圖1。2.4斷口分析2.4.1斷口形貌特征焊接接頭各拉伸試樣斷口一般均為暗灰色杯錐狀斷口,個別為星形放射狀斷口,拉伸試驗結(jié)果表明各焊接接頭均屬塑性斷裂。各沖擊試樣斷口宏觀形貌由裂源區(qū)、擴展區(qū)、剪切唇和瞬斷區(qū)4部分組成。裂源區(qū)、剪切唇和瞬斷區(qū)呈暗灰色纖維狀,剪切唇呈剪切斜斷口;裂紋擴展區(qū)經(jīng)淬回火的試樣多呈暗灰色纖維狀,整個斷裂面凹凸不平。其中裂紋擴展區(qū)所占斷裂面的平均百分比分別為:BHT試樣85%,NKKS135試樣73%,OHT試樣53%。2.4.2裂紋擴展區(qū)的特征焊接接頭沖擊試樣經(jīng)淬回火或預(yù)正火、淬回火后斷口的微觀形貌均屬正常斷口,BHT試樣裂紋擴展區(qū)一般為準(zhǔn)解理、韌窩;在韌塑性好的OHT和NKKS135的沖擊試樣上,包括裂紋擴展區(qū)在內(nèi)的各特征區(qū)均呈纖維狀。纖維狀區(qū)一般為韌窩,呈現(xiàn)塑性斷裂特征,韌窩內(nèi)有顆粒狀夾雜物。沖擊試樣斷口微觀形貌見圖2。2.5材料的未完全性產(chǎn)業(yè)對焊接接頭焊合區(qū)作透射電鏡觀察,BWT試樣經(jīng)淬回火后的組織主要是上貝氏體,其結(jié)構(gòu)特征為已經(jīng)回復(fù)但尚未再結(jié)晶的鐵素體板條以及在板條邊界上分布著較粗長的0.1～0.2μm長圓形碳化物,在鐵素體板條內(nèi)清晰可見位錯形貌,板條已比較充分回復(fù),但尚未發(fā)生再結(jié)晶,因為仍保持著板條形貌,碳化物大部分分布在板條邊界上;板條內(nèi)局部有與板條成一定位向的碳化物顆粒的下貝氏體回火組織結(jié)構(gòu)。OWT的焊態(tài)試樣主要是馬氏體、下貝氏體及其板條邊界上的殘余奧氏體,還有少量的上貝氏體組織;焊后經(jīng)預(yù)正火、淬回火試樣主要是馬氏體回火組織,其結(jié)構(gòu)特征為大部分已經(jīng)回復(fù),尚未再結(jié)晶的板條鐵素體及在板條內(nèi)部與板條方向相平行或垂直或有一定位向成十字或人字形,比較細小的0.05～0.1μm碳化物。板條內(nèi)部位錯清晰可見,已明顯回復(fù),可見到個別1μm以下的鐵素體再結(jié)晶晶粒,部分為上、下貝氏體回火組織;NKKS135試樣淬回火后,主要是馬氏體回火組織,部分為上、下貝氏體回火組織。焊接接頭電子金相組織見圖3。2.6x射線能譜分析微區(qū)域x焊接接頭沖擊試樣斷口裂紋擴展區(qū)韌窩內(nèi)的顆粒狀夾雜物經(jīng)微區(qū)成分X射線能譜分析,主要為Fe、S、Mn和Cr等成分,見圖4。3分析與討論3.1應(yīng)力加熱參數(shù)對焊接接頭組織的影響優(yōu)化的焊接規(guī)范通過合理匹配焊接參數(shù)來調(diào)整摩擦焊的熱循環(huán)和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán),適當(dāng)強化頂鍛壓力,放大摩擦和頂鍛變形量。抑制在焊合區(qū)形成粗大的奧氏體晶粒,使焊合區(qū)的焊態(tài)組織主要是馬氏體、殘余奧氏體及下貝氏體,部分為上貝氏體。奧氏體晶粒較細,大于或等于6級,為后續(xù)感應(yīng)熱處理提供了良好的組織狀態(tài)。而用原焊接規(guī)范獲得的焊接接頭,其焊合區(qū)焊態(tài)組織主要是上貝氏體,部分為馬氏體、殘余奧氏體和下貝氏體,奧氏體晶粒粗大,為3.5級。為保證焊接接頭有良好的強度、塑性和韌性,焊后進行淬回火調(diào)質(zhì)處理。通過感應(yīng)加熱參數(shù)的合理匹配,增大加熱功率,降低電流頻率,盡可能提高正火、淬回火溫度,減少正火、淬火加熱保溫時間,增大渦流透入深度,使盡可能深的金屬層能直接用感應(yīng)渦流加熱,實現(xiàn)透入式加熱,進行穿透淬回火即穿透調(diào)質(zhì),加大氣流量,提高冷卻速度,這樣便能獲得焊接接頭沿截面整體均勻強韌化的效果。OWT的焊接接頭,經(jīng)上述感應(yīng)熱處理的相變重結(jié)晶,晶粒超細化,預(yù)正火、淬回火后的晶粒度大于或等于10級,顯微組織主要是回火索氏體,少量貝氏體?；旧线_到沿截面穿透淬回火的良好效果,并可明顯地窄化感應(yīng)加熱影響區(qū)寬度,達到60mm左右,有利于進一步提高強韌性。BHT淬回火相變重結(jié)晶后,焊接接頭晶粒有所細化,顯微組織、晶粒度和硬度的不均勻性有所改善,但還未達到沿截面穿透調(diào)質(zhì)的程度,其顯微組織為回火索氏體、貝氏體和先共析鐵素體等多相組織。3.2種軟化區(qū)的強度差異比較了各種焊接接頭的機械性能,OHT試樣的沖擊韌性最好,而延伸率比BHT試樣略低,與NKKS135試樣基本一致,其原因主要是拉伸試樣斷于失強軟化區(qū),調(diào)質(zhì)區(qū)和失強軟化區(qū)塑性變形抗力差異較大,應(yīng)力應(yīng)變高度集中在軟化區(qū)。在拉伸試驗時,盡管軟化區(qū)有較好的塑性,產(chǎn)生明顯的延伸和頸縮現(xiàn)象,反映在塑性指標(biāo)上,面縮率較高;在整體拉伸時,軟化區(qū)強度較低,延伸變形量大,但整體參與延伸變形量小,所以延伸率較低。對于這種現(xiàn)象,并不能證明軟化區(qū)延伸率不好,實際上是該區(qū)強度降低,而塑性增加。BWT焊接接頭淬火加熱和保溫時間較長,其熱影響區(qū)長達90mm,拉伸試樣在熱影響區(qū)處斷裂,顯得其延伸率高于其他規(guī)范的延伸率。3.3耐心損傷的原因分析3.3.1接接頭的選擇焊合區(qū)如有粗大的非金屬夾雜物,將顯著降低焊接接頭的塑性和韌性。從斷裂力學(xué)觀點分析,存留在焊合區(qū)的大于裂紋形核臨界尺寸的夾雜物,在基體中成為微裂紋起源核心,導(dǎo)致脆性斷裂。3.3.2熱機械作用下的變形在焊接接頭塑性流變區(qū)中形成的金屬纖維組織,即在摩擦焊接熱機械作用下,金屬化合物、夾雜物和晶粒界面等沿焊接界面變形呈纖維狀分布。金屬纖維組織會使焊接接頭的機械性能在不同方向上有明顯差異,造成橫向性能特別是韌性顯著降低。3.3.3熱處理參數(shù)控制韌性損傷與顯微組織和晶粒度等因素密切相關(guān)。如焊接參數(shù)控制不當(dāng),在焊合區(qū)受過熱溫度影響,會促使這些區(qū)域奧氏體晶粒長大粗化,隨之冷卻相變?yōu)榇执蟮鸟R氏體和貝氏體;焊合區(qū)有時還形成以上貝氏體為主的組織,上貝氏體的鐵素體板條和板條間分布的碳化物均較粗大,在兩者相界面上容易萌生裂紋。且由于晶粒粗大,晶界面斷裂應(yīng)力顯著降低,當(dāng)晶粒尺寸大于臨界晶粒尺寸時,會出現(xiàn)脆性斷裂。BHT試樣因焊后熱處理參數(shù)控制不當(dāng),晶粒得不到均勻細化;淬火時因為冷卻速度不足以達到臨界冷卻速度,難以得到全部馬氏體,調(diào)質(zhì)后難以得到全部回火索氏體而含有高中溫相變組織上貝氏體和先共析鐵素體等,于是造成其焊接接頭韌性損傷的脆化現(xiàn)象。而OHT試樣在這方面明顯改善,減輕了韌性損傷。為了使焊接接頭得到良好的強度、塑性和韌性,以連續(xù)噴水霧冷卻方式淬火得到馬氏體或馬氏體和少量下貝氏體,并經(jīng)回火得到回火索氏體組織,以便從金屬學(xué)的因素確保焊接接頭具有足夠的裂紋擴展抗力和斷裂韌性水平。4顯微組織及沖擊功能分析(1)鉆桿焊接接頭采用優(yōu)化的焊接參數(shù)施焊可以得到以馬氏體、殘余奧氏體和下貝氏體為主的組織,晶粒度適中,大于或等于6級,可為焊后熱處理準(zhǔn)備良好的組織狀態(tài)。(2)鉆桿摩擦焊接接頭,經(jīng)預(yù)正火、淬回火感應(yīng)熱處理后,晶粒細小,晶粒度大于或等于10級,顯微組織主要是回火索氏體、部分貝氏體。其抗拉強度、屈服強度、延伸率和沖擊韌性均能達到《S135摩擦焊鉆桿焊區(qū)技術(shù)條件》規(guī)定要求。其中沖擊功平均值高出規(guī)定值22J,延伸率與NKKS135的延伸率相當(dāng)。(3)鉆桿焊接接頭韌性損傷主要是母材冶金質(zhì)量不良,使焊合區(qū)存在粗大的非金屬夾雜物,特別是與焊接界面相平行的條簇狀硫化鐵(錳)夾雜物;以及焊接和焊后熱處理工藝不當(dāng),形成較多的上貝氏體、先共析鐵素體或晶粒粗大等原因