闞成玲，張驍勇，史文海，徐學(xué)利

（1．西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065；2．中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司烏魯木齊基地管理處分公司，新疆烏魯木齊830016）

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源需求的不斷增加，管道工業(yè)在世界范圍內(nèi)進(jìn)入了一個高速發(fā)展時期。提高長距離管道輸送能力的經(jīng)濟(jì)性要求和應(yīng)對惡劣環(huán)境的安全性要求已成為當(dāng)代管道工程面臨的兩大主題[1]。高鋼級管線鋼以其較低的建設(shè)成本和較高的使用性能陸續(xù)投入使用，目前世界在役管道的最高鋼級已達(dá)X80鋼級，X100也已經(jīng)進(jìn)行了試驗段研究，有望大規(guī)模應(yīng)用[2-3]。

管道焊接是決定油氣管線是否安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素。目前管道焊接多采用埋弧焊，其焊接接頭多存在較寬的熱影響區(qū)以及未檢測出的氣孔、夾渣等焊接缺陷，成為服役過程中的嚴(yán)重安全隱患。摩擦焊接作為一種典型的固相焊接，具有焊接熱影響區(qū)窄、焊接質(zhì)量好、焊接效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。其焊接質(zhì)量主要受轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、頂鍛壓力以及軸向縮短量的影響，不同參數(shù)對性能的影響規(guī)律不同[4-6]。正交試驗是研究多因素多水平的一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法，具有均勻分散、整齊可比的特點(diǎn)[7-8]。為此，本文采用正交試驗法研究連續(xù)驅(qū)動摩擦焊主要工藝參數(shù)對X100高鋼級管線鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，從而為后續(xù)X100高鋼級管線鋼固相摩擦焊工藝的優(yōu)化提供參考[9]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用國內(nèi)某鋼廠的X100直縫埋弧焊管，從鋼管上避開原始焊接區(qū)域截取φ15 mm棒材進(jìn)行焊接。X100管線鋼的化學(xué)成分如表1所示，常規(guī)力學(xué)性能如表2所示[10]。

表1 X100管線鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of X100 pipeline steel %

表2 X100管線鋼常規(guī)力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of X100 pipeline steel

1.2 正交試驗設(shè)計

正交試驗法是開展全試驗組數(shù)較多時有效降低試驗次數(shù)的一種設(shè)計方法，具體是根據(jù)正交性從全試驗中選出具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗[11]。根據(jù)摩擦焊工藝特點(diǎn)，選取轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、頂鍛壓力、軸向縮短量4個參數(shù)作為正交試驗考核因素，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[12-13]，選定每個因素設(shè)置三個水平，確定出正交因素水平表如表3所示。采用不考慮交互作用的四因素三水平正交表進(jìn)行試驗設(shè)計，正交試驗表 L9（34）如表 4 所示。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal design

表4 L9（34）正交試驗表Table 4 Design matrix L9（34）of orthogonal experiment design

1.3 摩擦焊試驗及測試方法

采用漢中雙戟公司生產(chǎn)的C320型連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機(jī)進(jìn)行摩擦焊接試驗。焊接完成后，測量、觀察其飛邊形貌。采用HVS-1000A型顯微硬度計測試接頭硬度，載荷300 gf，保荷時間15 s。每隔0.5 mm測試一個點(diǎn)，打點(diǎn)示意如圖1所示，取每個區(qū)域的平均值進(jìn)行后續(xù)研究。在MTS370.10材料試驗機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)單軸拉伸試驗，以焊縫為中心、垂直于焊縫方向取樣，拉伸試樣按照板狀拉伸比例試樣進(jìn)行設(shè)計，具體尺寸如圖2所示[14]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭形貌觀察

圖1 硬度取點(diǎn)示意Fig.1 Schematic diagram of hardness test points

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen

焊接接頭飛邊形貌及尺寸分別如圖3、表5所示。結(jié)合圖3和表5發(fā)現(xiàn)，9組不同參數(shù)下的摩擦焊接頭處的宏觀形貌存在明顯差異。在轉(zhuǎn)速較低為600 r/min時，產(chǎn)生的飛邊不完整且形貌較差，旋轉(zhuǎn)端與夾持端飛邊尺寸存在明顯差異，出現(xiàn)不規(guī)則飛邊形態(tài)，這是由于低轉(zhuǎn)速高壓力下扭矩阻力過大，導(dǎo)致飛邊不規(guī)則擠出；當(dāng)轉(zhuǎn)速較大（1 000～1 400 r/min）時，飛邊形態(tài)規(guī)則，外觀完整，但由于轉(zhuǎn)速較大，產(chǎn)生的溫度較高，焊接造成的縮短量也較大。此外，當(dāng)縮短量參數(shù)設(shè)置過大時，所形成的飛邊尺寸過大。由此可見，飛邊形貌受轉(zhuǎn)速及縮短量參數(shù)的影響較大[15]。

圖3 焊接接頭形貌Fig.3 Welding joint morphology

表5 焊接接頭飛邊尺寸Table 5 Dimensions of welded joint flash

2.2 硬度試驗

2.2.1 試驗結(jié)果

檢測9組焊接接頭的焊縫、熱力影響區(qū)以及熱影響區(qū)硬度，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，焊縫區(qū)域硬度值最高，其次是熱力影響區(qū)，這主要是晶粒受力的影響發(fā)生變形強(qiáng)化而造成的結(jié)果。對于熱影響區(qū)，由于晶粒長大且大小不均勻，導(dǎo)致其硬度較低[15]。

表6 正交試驗硬度數(shù)據(jù)Table 6 The hardness results of orthogonal test

2.2.2 極差分析[16-17]

硬度試驗正交分析計算結(jié)果如表7所示。比較極差R發(fā)現(xiàn)：對于焊縫區(qū)域硬度，三種水平下的摩擦壓力對應(yīng)的極差最大，即不同水平的摩擦壓力對焊縫區(qū)域的硬度影響最大，其次是頂鍛壓力、轉(zhuǎn)速，縮短量；同理，不同工藝參數(shù)對熱力影響區(qū)的影響程度為：摩擦壓力＞頂鍛壓力＞縮短量＞轉(zhuǎn)速；不同工藝參數(shù)對熱力影響區(qū)的影響程度為：轉(zhuǎn)速＞摩擦壓力＞縮短量＞頂鍛壓力。

表7 硬度試驗正交分析結(jié)果Table 7 Orthogonal analysis results of hardness test

2.3 拉伸試驗

2.3.1 試驗結(jié)果

9組試樣的拉伸斷裂位置及其與焊縫中心的距離分別如圖4、表8所示。在拉伸過程中，材料發(fā)生明顯的塑性變形，其斷裂位置均在母材區(qū)域，說明在設(shè)定的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，焊后接頭的拉伸性能均好于母材。

圖4 斷裂宏觀Fig.4 Fracture macroscopic

表8 斷裂處與焊縫中心距離Table 8 Distance between the fracture and the center of the weld

焊接接頭拉伸試驗結(jié)果如表9所示。

2.3.2 極差分析

根據(jù)表9中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表10所示。通過比較極差R，可以得出不同工藝參數(shù)對焊接接頭屈服強(qiáng)度產(chǎn)生影響的顯著性為：摩擦壓力＞轉(zhuǎn)速＞頂鍛壓力＞縮短量；不同工藝參數(shù)對焊接接頭抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響的顯著性為：縮短量＞轉(zhuǎn)速＞摩擦壓力＞頂鍛壓力；不同工藝參數(shù)對焊接接頭斷后伸長率產(chǎn)生影響的顯著性為：轉(zhuǎn)速＞縮短量＞摩擦壓力＞頂鍛壓力。

工藝參數(shù)水平對焊接接頭拉伸性能的影響如圖5所示。由圖可知，對于屈服強(qiáng)度，轉(zhuǎn)速、頂鍛壓力、縮短量三個參數(shù)從水平1至水平3，屈服強(qiáng)度先升高后降低，因此其取值在水平2左右較為理想；摩擦壓力從水平1至水平3，屈服強(qiáng)度先緩慢降低后急劇升高，因此可以進(jìn)一步提高摩擦壓力來提高接頭屈服強(qiáng)度。對于抗拉拉強(qiáng)度，轉(zhuǎn)速和縮短量從水平1至水平3，抗拉強(qiáng)度先升高后降低，取值接近水平2時抗拉強(qiáng)度更為理想；頂鍛壓力從水平1至水平3，抗拉強(qiáng)度先降低后緩慢升高，故較低水平的頂鍛壓力可以獲得更好的抗拉強(qiáng)度；摩擦壓力從水平1至水平3，抗拉強(qiáng)度持續(xù)升高，取值范圍越大，抗拉強(qiáng)度越高，因此摩擦壓力可以進(jìn)一步提高，但提高幅度不宜過大。對于斷后伸長率，轉(zhuǎn)速從水平1至水平3，斷后伸長率持續(xù)升高，取水平3時獲得的斷后伸長率最高；摩擦壓力從水平1至水平3，斷后伸長率的變化趨勢與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的變化趨勢完全相反，較低水平的摩擦壓力更利于斷后伸長率的提高；頂鍛壓力取值接近水平2時，接頭的斷后伸長率更為理想；縮短量從水平1至水平3，斷后伸長率先降低后升高，接近水平3時，斷后伸長率更高，因此可以考慮進(jìn)一步提高縮短量，但提高幅度不宜過大[18]。

表9 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果Table 9 Tensile test results of welded joints

表10 拉伸試驗正交分析結(jié)果Table 10 Orthogonal analysis results of tensile test

3 分析與討論

匯總各項性能指標(biāo)下的極差R，并采用柱形圖形式展示，分別如表11和圖6所示?？梢钥闯觯瑢缚p硬度、熱力影響區(qū)硬度以及屈服強(qiáng)度影響最大的是摩擦壓力，對熱影響區(qū)硬度、斷后伸長率影響最大的是轉(zhuǎn)速，對抗拉強(qiáng)度影響最大的是縮短量。因此，相對而言，對接頭各項性能指標(biāo)影響最大的是摩擦壓力，其次是轉(zhuǎn)速，頂鍛壓力和縮短量的影響較小。

表11 工藝參數(shù)對各性能指標(biāo)的影響程度Table 11 Influence of process parameters on various performance indicators

綜上所述，在保證試驗鋼焊接接頭滿足高強(qiáng)韌性條件下，以獲取最大硬度值和強(qiáng)度值為試驗指標(biāo)衡量參數(shù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)而言，得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 000 r/min、摩擦壓力170 MPa、頂鍛壓力255 MPa、縮短量 7 mm。

4 正交試驗結(jié)果驗證

為了驗證正交試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用得到的最優(yōu)工藝參數(shù)對X100管線鋼進(jìn)行摩擦焊接試驗。

圖5 工藝參數(shù)水平對焊接接頭拉伸性能的影響Fig.5 Effect of process parameter level on tensile properties of welded joints

4.1 拉伸性能檢測

拉伸性能檢測結(jié)果如表12所示。屈服強(qiáng)度平均值為817 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為839 MPa，斷后伸長率平均值為21.74%，均不同程度超過了優(yōu)化前的。

圖6 工藝參數(shù)對焊接接頭性能的影響Fig.6 Effect of process parameters on the performance of welded joints

4.2 顯微硬度檢測

為了進(jìn)一步驗證正交計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，從9組正交試驗中選取拉伸強(qiáng)度較高的第6組、第9組分別與采用優(yōu)化工藝下的焊接接頭進(jìn)行顯微硬度對比分析，如圖7所示?？梢钥闯?，與正交試驗的第6組焊接接頭硬度相比，優(yōu)化工藝后的焊接接頭硬度明顯呈焊縫軸心對稱，兩側(cè)母材之間的焊接區(qū)域硬度基本在210～235 HV，各區(qū)域內(nèi)硬度波動幅度較小，顯微硬度分布更為均勻；同理，與正交試驗第9組焊接接頭硬度分布相比，優(yōu)化工藝后的焊接接頭熱影響區(qū)更窄。由此可見，優(yōu)化工藝后的焊接接頭強(qiáng)度更高，試驗驗證與正交計算結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）在選取的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊接接頭基本符合性能要求，通過極差分析得出對焊接接頭各項性能指標(biāo)影響最大的是摩擦壓力，其次是轉(zhuǎn)速，頂鍛壓力和縮短量的影響較小。

（2）通過正交試驗和極差計算，以焊接接頭各個區(qū)域的顯微硬度和拉伸強(qiáng)度作為本次正交試驗的考核指標(biāo)時，得到的最優(yōu)摩擦焊焊接工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速 1 000 r·min-1、摩擦壓力 170 MPa、頂鍛壓力255 MPa、縮短量7 mm。

（3）拉伸性能和顯微硬度測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的工藝參數(shù)可以改善焊接接頭組織硬度的均勻性，減小熱影響區(qū)尺寸，進(jìn)而提高焊接接頭的綜合性能。

表12 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果Table 12 Tensile test results of welded joints

圖7 優(yōu)化工藝前后接頭顯微硬度對比Fig.7 Comparison of microhardness of welded joints before and after process optimization