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学术前沿讲座---双温工艺瞬时液相扩散连接45MnMoB地质钻杆
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学术前沿讲座 我的研究课题及成果介绍 0 序 言 我国岩心钻探钻杆是在杆体两端用螺纹连接两个公母接头，这样即使螺纹设计合理，但杆体螺纹与其母材相比强度降低一倍，往往折断事故就发生在此处。采用等离子弧焊或者摩擦焊，在杆体两端各焊接一个加厚的公母接头成为钻杆生产的一个新的结构形式。等离子弧焊在钻杆焊接中内表面余高大，且有焊瘤，必须用机械方法消除；引弧和收弧处焊缝内的气孔较难清除；一个接头需要焊三次才能完成，因此在生产中有一定的局限性。摩擦焊接头中很难避免“灰斑”缺陷，接头内外表面有飞边，需用机械加工方法清除；而当钻杆较长，接头距端部较远时，飞边很难清除，这就限制了摩擦焊在地质钻杆中的应用。周大中[1]等人在进行45MnMoB地质钻杆焊接时，提出了钻杆外等离子弧焊（PAW）和钻杆孔内钨极氩弧焊（TIG）同时进行的PAW－TIG联焊方法。该种焊接工艺生产的钻杆不必进行焊接接头的机械加工就能直接投入使用，焊接接头经（620℃~640℃），10min回火处理，抗拉强度为730~815MPa，冷弯试验面弯角90°不裂。但是该工艺焊前准备工作多、操作复杂、参数精度要求严格。 瞬时液相扩散（TLP）连接是将中间层合金置于装配好的工件之间，并施加一定的压力，然后加热到连接温度。在连接温度下保温时，依靠中间层与母材间的元素扩散导致接头发生等温凝固，并随后发生均匀化，形成与母材组织、成分、性能相同的接头[2]。传统的TLP连接工艺，通过一次保温过程就可以实现母材的连接。陈思杰[3]在开发T91耐热钢的瞬时液相扩散连接工艺过程中，提出了一种新的连接工艺模型－双温工艺模型：等温凝固以前先进行短时高温加热，然后再降到连接温度进行等温凝固和均匀化。 本文采用单温焊接工艺和双温焊接工艺进行45MnMoB地质钻杆的瞬时液相扩散连接，研究了两种焊接工艺下接头的性能和组织。 1 试验材料与方法 试验材料为φ71mm×5mm的45MnMoB地质钻杆，中间层合金为自主研制的铁基非晶箔带[4]，其化学成分（质量分数，%）为：56 Fe，33 Ni，3 Cr，5 Si，3 B，熔点为1090~1120℃，箔带厚度为60μm。 焊接试验参照文献[5]进行，焊接工艺参数见表1。焊后对焊接接头进行650℃，5min的回火处理，以消除焊接应力、改善组织、提高性能。依照《焊接接头拉伸试验方法》GB2651－89标准和《焊接接头弯曲及压扁试验方法》GB2653-89标准，进行室温拉伸和弯曲试验。采用扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）观察接头组织以及分析接头区合金元素的分布情况。 表1 TLP连接工艺参数 Table 1 Parameters of TLP bonding 工艺 温度T/℃ 时间t/min 压力P/MPa T1 T2 t1 t2 1 1250 2 9 2 1230 3 9 3 1250 1230 1 2 9 2 试验结果与分析 2.1接头性能 图1为地质钻杆TLP连接后的接头形貌。可以看出，采用TLP连接技术获得的焊缝内外表面无余高、成形光滑平整、无摩擦焊时的飞边和等离子焊的焊瘤、无需机械加工即可直接使用。 图1 地质钻杆TLP连接焊缝的宏观形貌 Fig.1 TLP bonded joint of geological drill pipe 不同焊接工艺下获得接头的力学性能如表2所示。表中还列出了钻杆焊接接头技术要求[1]。由表可以看出， 1230℃单温焊接工艺获得接头抗拉强度低于1250℃单温焊接工艺，但两者的接头塑性都很差；1250℃-1230℃双温焊接工艺获得的接头抗拉强度、弯曲性能均高于单温焊接工艺，并且达到钻杆焊接接头的技术要求。与PAW－TIG联焊工艺相比，TLP连接工艺可获得更高质量的接头。 表2 接头力学性能 Table 2 Mechanical properties of TLP bonded joints 工艺 抗拉强度σb /MPa 弯曲角θ/(°) 1 880 0 2 785 0 3 890 180 钻杆焊接技术要求 >700 ≥90 2.2接头组织 图2为采用不同工艺焊接45MnMoB钻杆的接头组织。可以看出，在两种焊接工艺下，焊缝区晶粒已实现跨界面连续生长，焊缝区组织与母材组织相同，都为回火索氏体，因此焊缝具有较高的强度。但在不同的焊接工艺下，焊缝处产生了不同的缺陷（图中箭头所示），1250℃焊接接头组织中出现了树枝状的异质相，1230℃焊接接头组织中出现了颗粒状异质相，而1250℃－1230℃焊接接头中无异质相生成，接头仅有少量的细小空洞。另外，1250℃焊接组织比1230℃焊接组织细小，这说明在1230℃～1250℃之间进行45MnMoB焊接，焊缝晶粒长大主要受时间影响。 (a) 工艺1 (b)工艺2 (c) 工艺3 图2 45MnMoB钻杆瞬时液相扩散焊组织 Fig.2 microstructures of 45MnMoB drill pipe joint by TLP bonding 对三种工艺下接头区的缺陷进行成分线扫描。结果表明，在单温焊接工艺下Fe、Mn、Cr在整个焊接接头分布均匀，双温焊接工艺下Fe、Mn、Mo、Ni、Cr、Si在连接区均匀分布。图2a中，异质相为MoBx脆性相；界面处为CO2反应型气孔。图2b中，异质相为（NiSi）固溶体，界面处为CO2反应型气孔。图2c空洞内有少量CO2反应型气孔。 在本试验条件下，由于焊缝处存在缺陷（脆性相、固溶体和空洞），降低了焊缝的焊合率，焊缝强度低于母材强度。由于保温时间短，晶粒未长大，因此1250℃焊接接头的抗拉强度高于1230℃焊接接头强度。单温焊接工艺焊缝区的粗大异质相成为焊缝失效的裂纹源，故焊缝塑性差；而双温焊接工艺无异质相生成，仅有少量的细小空洞，因此焊缝塑性高。 3 讨论 TLP连接中采用双温焊接工艺[3]，利用短时高温和连接温度之间的过冷度使液相发生不平衡结晶，改变了液固界面，消除了平衡结晶产生的平直连接界面。本文在进行了45MnMoB钻杆的TLP连接时却得出了与陈思杰不同的试验结果。两种焊接工艺获得的焊缝区都不存在连接界面，焊缝组织与母材组织相同，但是单温焊接工艺生成了异质相，双温焊接工艺无异质相。在45MnMoB钻杆的TLP连接过程中，采用了低熔点的非晶态金属箔带作为中间层，其熔化范围为1090~1120℃。两种焊接工艺的连接温度均远远高于中间层的熔化上限，过热度超过100℃，因此对于液相中间层的凝固就不存在过冷度。 在钢的TLP连接中，由于降熔元素（B、Si）的扩散使液固界面区的成分和熔点发生变化，从而发生等温凝固而实现冶金接合。从B/Fe、B/Ni二元相图看[6]，室温下B在Fe、Ni中的溶解度几乎为零，过量的B将以化合物形式存在而影响了接头性能。因此，保证降熔元素充分扩散至母材，使其在接头区的浓度降至足够低，才能降低化合物相的不利影响。研究表明，对碳钢而言，焊接加热过程中铁素体－奥氏体的组织转变时间极短，只要加热稍超过Ac3点，母材基本上全部为奥氏体。因此，两种焊接工艺下，45MnMoB钻杆连接时的组织都为奥氏体，其对合金元素的扩散作用是相同的。连接温度下保温，等温凝固发生，接头实现接合。在随后的冷却过程中，由于冷却方式的不同，异质相的生成也不同。1250℃连接后冷却，成分界面处温度梯度大，脆性相优先生成；1230℃连接后冷却，成分界面处温度梯度变小，只能形成固溶体；而1250℃－1230℃双温焊接工艺，第一次降温过程中，由于温度梯度小，降熔元素在奥氏体内处于一种稳定的分布状态，异质相较难形成；第二次降温时，合金元素已在接头区均匀分布，未有形核点。因此，我们认为，双温焊接工艺的主要作用在于避免脆性相的形成或者长大，而不是保证液态中间层发生等温凝固。 20钢管的TLP连接中，接头中未发现CO2气孔[5]，而在45MnMoB中碳合金钢连接时却出现了CO2气孔。这是由于45MnMoB的碳含量远远高于20钢，在开放的环境下进行焊接，其氧化趋势大大提高，焊接过程中就会形成大量的CO2存在于液态中间层内。随着等温凝固和均匀化的进行，产生的CO2气体一部分受焊接压力的作用被排除接头外，一部分气体会残留在接头内形成气孔和空洞，影响接头性能。研究表明[7]，加压可改善润湿性，同时减少界面空洞数量与空洞体积。考虑到地质钻杆对接头区的尺寸有技术要求，不能单纯的增大压力来消除空洞。因此如何设计施压形式，消除45MnMoB接头区空洞，有待进一步的研究。 4 结论 （1）采用瞬时液相扩散连接技术可以完成45MnMoB地质钻杆的焊接，接头成形好，无摩擦焊的飞边和等离子焊的焊瘤，性能达到钻杆焊接接头技术要求，并且超过了PAW-TIG联焊接头性能。 （2）两种焊接工艺均可获得和母材相同的组织，但是双温焊接工艺可以消除脆性相，提高接头的焊合率。 欢迎指导 [ Last edited by caucdenis on 2007-7-26 at 14:56 ] |
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