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s135钻杆摩擦焊接、热处理及其强韧性控制 上海宝山公司s135井杆由36rcnimo4a钢圈连接和焊接而成。采用原焊接和感应热处理参数所焊接的接头韧性一直偏低,存在质量隐患,是该项产品能否优质高产,得到成功应用的技术关键。西北工业大学与该公司合作开展“S135钻杆摩擦焊接、热处理及其强韧性控制”课题研究,并对其韧性损伤进行原因分析,提出了优化惯性摩擦焊接及感应热处理参数,提高了钻杆摩擦焊接头的强韧性水平。 1 试验条件 1.1 试验材料 钻杆工具接头和管体材料均为36CrNiMo4A钢,其原始热处理为调质态。钻杆焊接截面外径为131.7mm,内径为76.2 mm。 1.2 原应热处理气淬的频率 S135钻杆惯性摩擦焊接在320B型摩擦焊机上进行,焊接参数见表1,钻杆感应热处理参数见表2。 原感应热处理(BHT)气淬电流频率为1.8 kHz,加热功率80 kW,回火加热功率80 kW,电流频率1.8kHz;现选用的感应热处理(OHT)电流频率为1.65kHz,加热功率180～200 kW,回火加热功率80 kW,电流频率为1.65 kHz。 2 试验结果 2.1 马氏体和贝氏体部分是热重的、自然 原焊接规范(BWT)焊态试样焊合区显微组织主要是上贝氏体,部分为马氏体、残余奥氏体和下贝氏体;优化的焊接规范(OWT)焊态试样焊合区显微组织主要是马氏体、残余奥氏体和下贝氏体,部分为上贝氏体;两种焊接接头热影响区中马氏体组织沿轴向渐趋细化、减少,而贝氏体组织渐趋细化、增加;在基本无塑性变形的不完全重结晶区,具有不完全淬火状态的马氏体、贝氏体、屈氏体和铁素体等多相组织,直至趋近母材焊前调质状态的回火索氏体和少量贝氏体。BWT焊接接头经淬回火处理,其焊合区显微组织变得较为均匀,主要是回火索氏体,还有较多的贝氏体和铁素体;OWT焊接接头经预正火、淬回火处理,其焊合区显微组织变得均匀细小,主要是回火索氏体。两种焊接接头在趋近母材的区域均为回火索氏体、贝氏体和块状铁素体等多相组织的失强软化区。 2.2 调质态试验材料 BWT焊接接头焊合区晶粒粗大,达到3.5级,一般为4～5级;焊后经淬回火为晶粒度3.5和9级的混晶组织。NKKS135调质态试样晶粒度为8～9级。OWT焊接接头焊合区晶粒度为6～8级;焊后经预正火、淬回火,晶粒度达到10.5～12级。与宝钢原产钻杆和NKKS135钻杆相比,晶粒明显细化,且沿轴向均匀分布。焊接接头晶粒度分布见图1。 2.4 断口分析 2.4.1 断口形貌特征 焊接接头各拉伸试样断口一般均为暗灰色杯锥状断口,个别为星形放射状断口,拉伸试验结果表明各焊接接头均属塑性断裂。各冲击试样断口宏观形貌由裂源区、扩展区、剪切唇和瞬断区4部分组成。裂源区、剪切唇和瞬断区呈暗灰色纤维状,剪切唇呈剪切斜断口;裂纹扩展区经淬回火的试样多呈暗灰色纤维状,整个断裂面凹凸不平。其中裂纹扩展区所占断裂面的平均百分比分别为:BHT试样85%,NKKS135试样73%,OHT试样53%。 2.4.2 裂纹扩展区的特征 焊接接头冲击试样经淬回火或预正火、淬回火后断口的微观形貌均属正常断口,BHT试样裂纹扩展区一般为准解理、韧窝;在韧塑性好的OHT和NKKS135的冲击试样上,包括裂纹扩展区在内的各特征区均呈纤维状。纤维状区一般为韧窝,呈现塑性断裂特征,韧窝内有颗粒状夹杂物。冲击试样断口微观形貌见图2。 2.5 材料的未完全性产业 对焊接接头焊合区作透射电镜观察,BWT试样经淬回火后的组织主要是上贝氏体,其结构特征为已经回复但尚未再结晶的铁素体板条以及在板条边界上分布着较粗长的0.1～0.2μm长圆形碳化物,在铁素体板条内清晰可见位错形貌,板条已比较充分回复,但尚未发生再结晶,因为仍保持着板条形貌,碳化物大部分分布在板条边界上;板条内局部有与板条成一定位向的碳化物颗粒的下贝氏体回火组织结构。 OWT的焊态试样主要是马氏体、下贝氏体及其板条边界上的残余奥氏体,还有少量的上贝氏体组织;焊后经预正火、淬回火试样主要是马氏体回火组织,其结构特征为大部分已经回复,尚未再结晶的板条铁素体及在板条内部与板条方向相平行或垂直或有一定位向成十字或人字形,比较细小的0.05～0.1μm碳化物。板条内部位错清晰可见,已明显回复,可见到个别1μm以下的铁素体再结晶晶粒,部分为上、下贝氏体回火组织;NKKS135试样淬回火后,主要是马氏体回火组织,部分为上、下贝氏体回火组织。焊接接头电子金相组织见图3。 2.6 x射线能谱分析微区域x 焊接接头冲击试样断口裂纹扩展区韧窝内的颗粒状夹杂物经微区成分X射线能谱分析,主要为Fe、S、Mn和Cr等成分,见图4。 3 分析与讨论 3.1 应力加热参数对焊接接头组织的影响 优化的焊接规范通过合理匹配焊接参数来调整摩擦焊的热循环和应力应变循