劉永濱，杜華，徐哲

(中石油昆侖燃氣有限公司燃氣技術(shù)研究院，黑龍江哈爾濱150016)

0 前言

進入21世紀(jì)以來，隨著國內(nèi)城市建設(shè)速度的加快，鋼質(zhì)管道在各基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，如天然氣、暖氣和廢水處理管道等。部分管道已經(jīng)服役較長時間，難免會出現(xiàn)各種缺陷，如腐蝕和貫穿裂紋等。鋼質(zhì)管道的貫穿缺陷會造成漏水、漏氣等問題，易產(chǎn)生安全隱患;而更換管道需要一定的時間，對人們的生活造成不利影響。因此，鋼質(zhì)管道的在線修補技術(shù)是解決此類問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于某些厚度較薄、精度較高的鋼質(zhì)管道來說，不允許修補后有變形;對于某些輸送特定物質(zhì)的管道，如天然氣管道等，在修補過程中不允許產(chǎn)生火花，以免造成危險。

摩擦塞焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種新型焊接技術(shù)，其基于固相原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的塞棒扎入到塞孔中心，二者相互接觸、摩擦，形成塑化金屬，塞棒邊旋轉(zhuǎn)邊下扎，利用頂鍛作用形成接頭［1－2］。自摩擦塞焊發(fā)明以來，廣大學(xué)者將其應(yīng)用到許多材質(zhì)以及工況的補焊［3－9］。欒國紅等人［3］發(fā)現(xiàn) LY12 鋁合金摩擦塞焊接頭內(nèi)部包括兩個材料塑化區(qū)，硬度在接頭中心的塑化區(qū)趨于穩(wěn)定，且與母材相當(dāng)。張迅達等人［4］對DH36鋼水下摩擦疊焊接頭的組織和性能進行分析發(fā)現(xiàn)，焊接壓力增加能改善接頭連接質(zhì)量，空氣中焊接所得接頭抗拉強度高于水中焊接接頭。徐雅晨等人［5］對X65管線鋼摩擦塞焊搭接接頭進行補焊時發(fā)現(xiàn)，在空氣中焊接時沒有焊接缺陷的產(chǎn)生;在水下焊接時低轉(zhuǎn)速和壓力導(dǎo)致接頭產(chǎn)生未填充和未連接缺陷。摩擦塞焊對塞棒材料的選擇比較靈活，且對缺陷的尺寸無嚴(yán)格要求，因此其適用于鋼質(zhì)管道上貫穿孔的修補。

基于摩擦塞焊技術(shù)，對鋼質(zhì)燃氣管道的貫穿孔進行修補，既要保證鋼質(zhì)管道修補后不發(fā)生變形，又要達到不漏氣的效果。利用幾種不同材質(zhì)的塞棒對貫穿孔進行修補，研究不同塞棒的填充效果以及接頭的顯微組織。

1 試驗材料與方法

使用 Q235B(0．15%C，0．3%Si，0．42%Mn，0．045%P，0．045%S)鋼質(zhì)管道為研究對象，其壁厚為7 mm。焊接試驗前，在鋼質(zhì)管道上預(yù)制貫穿孔，孔的上端直徑為7 mm，錐度為11°，如圖1所示。將待焊區(qū)表面用砂紙打磨以去除表面雜質(zhì)。補焊試驗在型號為FSW-3LM-4012攪拌摩擦焊機上進行，焊接過程如圖2所示。與傳統(tǒng)塞焊不同的是，試驗在下扎過程結(jié)束后，對塞棒施加橫向移動，目的是將已填充的塞棒完全“留”在貫穿孔中，實現(xiàn)更好的填充效果。塞棒材料分別為6061鋁合金、銅、鋼，尺寸如圖3所示。焊接過程中攪拌頭的轉(zhuǎn)速為 500 r/min，600 r/min，1 500 r/min，下壓量為5 mm，停留時間為10 s;停留過程結(jié)束后，攪拌頭的前進速度為50 mm/min，前進距離為10 mm。

圖1 鋼質(zhì)管道貫穿孔示意圖(mm)

焊接試驗結(jié)束后，用電火花線切割機沿焊點中心切割金相試樣。金相試樣經(jīng)打磨、拋光后在型號為VHX-1000E光學(xué)顯微鏡和蔡司電鏡上進行顯微組織觀察。硬度在型號為HVS-1000的硬度計上測量，測量間距為0．5 mm，測量力為10 g，保壓時間為10 s。

圖2 焊接過程示意圖

圖3 塞棒尺寸示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 填充效果

圖4為使用不同塞棒所得補焊接頭的表面成形形貌。圖4a為使用鋼質(zhì)塞棒時所得接頭填充效果，所用轉(zhuǎn)速為500 r/min。從圖4a可以看出，試件表面無孔洞，塞棒對貫穿孔的填充效果較好，但表面不平整。圖4b為使用銅塞棒的填充效果，所用轉(zhuǎn)速為600 r/min。從圖4b可以看出，銅棒可對孔產(chǎn)生良好的填充效果。由于轉(zhuǎn)速較低，焊接過程中的熱量較少，因此表面成形較為粗糙。圖4c為使用鋁塞棒的填充效果，所用轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。鋁具有良好的熱塑性，對摩擦塞焊有著極好的適應(yīng)性。如圖4所示，鋁棒的填充效果良好，但表面形成質(zhì)量仍一般。

圖4 不同塞棒的填充效果

2．2 接頭橫截面組織形貌及硬度分布

圖5 為利用鋼質(zhì)塞棒所得補焊接頭的填充效果。從圖5a可以看出，利用鋼質(zhì)塞棒所得接頭的填充深度約為鋼板厚度的2/3。接頭中心存在一較大的孔洞，分析原因可能是焊接過程中塞棒破碎所致。接頭底部連接效果不好，存在明顯裂紋。圖5b為接頭上部填充效果的放大圖，此處塞棒和鋼板之間發(fā)生了明顯的結(jié)合，界面無裂紋。對此區(qū)域進行線掃描，位置如圖5b所示?？梢钥闯?，鐵元素分布十分均勻，含量無明顯波動，此結(jié)果意味著塞棒和鋼管之間發(fā)生了較好的結(jié)合。圖5d為沿圖5b中線掃描位置所測得的試件硬度?？梢钥闯觯捕妊刂€掃描方向無明顯的變化，但由于焊接過程中塞棒變紅，材料發(fā)生一定程度的軟化，因此硬度呈輕微的下降趨勢，但下降并不明顯。

圖6為補焊過程中的塑性材料流動示意圖。在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的過程中，塞棒材料在靠近鋼壁表面的線速度與其直徑呈正比，因此靠近鋼板表面區(qū)域材料的流動速度高于塞棒底部材料的流動速度。將靠近鋼板上表面的區(qū)域劃分為材料的高速流動區(qū)，靠近孔底部的區(qū)域則為低速流動區(qū)。對于摩擦塞焊來說，高速流動區(qū)域的材料更易與母材結(jié)合形成連接。除此之外，因貫穿孔呈一定的錐度，鋼板傾斜表面會在攪拌頭下壓時對其產(chǎn)生一定的垂向作用力，對塞棒材料起到頂鍛作用，此頂鍛作用對接頭的成型起著決定性作用。文中所用的是貫穿孔，因此無法對其底部的材料提供頂鍛作用。上述兩原因的綜合作用使得填充材料無法與貫穿孔底部產(chǎn)生有效結(jié)合。

圖5 使用鋼質(zhì)塞棒的填充效果

圖6 材料流動示意圖

圖7 為利用銅塞棒所得補焊接頭的填充效果。使用銅塞棒的填充深度明顯較大，且接頭內(nèi)部無孔洞缺陷。圖7b為銅/鋼結(jié)合界面的放大圖?？梢钥闯龆咧g的結(jié)合較為緊密，無明顯裂紋。從圖7可以看出，銅塞棒可對鋼質(zhì)管道的貫穿孔進行良好的填充，可以起到基本的防止管道漏水、漏氣的效果。然而，鋼質(zhì)管道在部分使用條件下，其內(nèi)部壓力很大，一般的物理結(jié)合無法徹底實現(xiàn)防漏的效果。進一步對銅/鋼界面進行EDS分析，結(jié)果如圖7c所示。從圖可以看出兩種元素在結(jié)合界面處的含量變化十分明顯，沒有形成明顯的擴散層。因此可以推斷，此時銅/鋼之間并沒有發(fā)生冶金結(jié)合，結(jié)合強度較弱。圖7d為使用Cu塞棒所得接頭界面處的硬度分布。由于Cu本身的硬度較低，因此接頭內(nèi)部的硬度值明顯較低，約為100 HV左右，隨著距界面距離的增大，硬度值幾乎不變。

圖8為使用鋁塞棒所得接頭的填充效果。鋁具有良好的熱塑性，對塞孔的填充效果較好，從圖8a可以看出，鋁塞棒對貫穿孔的填充深度超過板厚的一半。從圖8b鋁/鋼界面的放大圖可以看出，鋁鋼之間結(jié)合緊密，無裂紋、孔洞。圖8c為鋁/鋼界面的元素分布。圖9a為鋁/鋼界面的EDS分析。可以看出，鋁鋼之間發(fā)生了原子擴散，產(chǎn)生了擴散層，厚度約為1．5 μm。該擴散層意味著鋁鋼之間發(fā)生冶金結(jié)合，且結(jié)合強度較高，可承受鋼質(zhì)管道內(nèi)部的壓力。進一步分析鋁/鋼界面的元素分布可知，二者之間發(fā)生了較為明顯的原子擴散(圖8c)。圖9b為使用鋁塞棒的硬度分布。與使用Cu塞棒時相似，使用鋁塞棒所得接頭的硬度在界面處變化較大，硬度在鋁側(cè)明顯下降，約為100 HV左右。

圖7 使用銅質(zhì)塞棒的填充效果

圖8 使用鋁質(zhì)塞棒的填充效果

圖9 鋁/鋼界面的元素和硬度分布

3 結(jié)論

(1)鋼在填充過程中與鋼筒摩擦生熱，導(dǎo)致塞棒變紅，形成冶金結(jié)合，補焊后接頭組織和硬度均勻。

(2)銅/鋼界面未發(fā)生冶金連接，結(jié)合強度較弱。補焊接頭內(nèi)部的硬度明顯較低。

(3)鋁塞棒具有較好的熱塑性，在填充過程中與鋼發(fā)生冶金連接，鋁/鋼界面生成厚度為1．5 μm的擴散層。