Gleeble 3500熱模擬HFW焊接工藝研究

王軍，談笑，張峰，趙建龍，蘇琬，權勇

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西寶雞721008；3.長慶油田分公司機械制造總廠，陜西西安710201）

Gleeble 3500熱模擬HFW焊接工藝研究

王軍1，2，談笑3，張峰1，2，趙建龍2，蘇琬2，權勇2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西寶雞721008；3.長慶油田分公司機械制造總廠，陜西西安710201）

采用Gleeble 3500實驗機模擬了HFW焊接過程，研究了焊縫區金屬擠出溫度及其硬度和組織。結果表明：擠壓形變量、擠壓應力的波動變化主要與焊縫區金屬擠出過程及焊后冷卻過程中的相變有關；試驗鋼碳當量越高，焊縫區金屬擠出開始溫度就越高，終止溫度就越低，不僅影響焊接質量，而且影響生產效率。

HFW；焊縫區；熱模擬；碳當量；冷裂紋；硬度；組織

高頻焊接（High Frequency Welding，簡稱HFW）是焊管制造中最常用的焊接方法之一。由于HFW焊管在焊接過程中不用添加填充金屬，因此焊接速度快、生產效率高，被廣泛用于油氣輸送和鉆采領域［1-3］。然而HFW焊管質量受原材料和工藝等諸多因素的影響，生產質量控制較難，成材率和焊接工藝仍需不斷提高和完善［4-6］。熱模擬試驗不用通過直接焊接，就能方便地模擬出HFW焊接接頭不同部位的溫度及其組織變化，從而很方便地對焊接接頭各特定溫度區的組織及性能進行分析［7-9］。

HFW焊接過程經歷了組織粗化、在擠壓輥的機械擠壓作用下焊縫金屬擠出以及快速加熱與冷卻等熱力過程，并最終在焊縫中心形成一條寬度為0.05～2.00 mm的熔合線。由于焊接過程的特殊性，造成母材和焊縫區的微觀組織差異，從而顯著降低了焊縫區的沖擊韌性，成為焊管的薄弱環節，因而提高HFW焊管的焊縫性能就成為HFW焊接研究的重點［10-11］。本文采用Gleeble 3500實驗機模擬HFW焊接過程，研究不同成分試驗鋼焊縫區金屬的擠出溫度及其硬度和組織差異，以期為HFW焊管焊接工藝的制定提供參考。

1 試驗材料及方法

采用真空感應爐冶煉了5種不同成分的試驗鋼，其主要化學成分見表1。

從表1可以看出：1號試驗鋼微合金元素含量較少，僅含少量的Cr、Mo等微合金元素；2號、3號試驗鋼除了碳含量不同外，其余化學成分基本相同；4號、5號試驗鋼分別在2號、3號試驗鋼的基礎上，增加了Mn、Cr合金元素的含量，并添加了0.05%的V。Mn、Cr、Mo合金元素有利于提高試驗鋼的強度和淬透性，Nb、V、Ti合金元素將以碳氮化物的形式析出，從而提高試驗鋼的強度和韌性。

表1 5種試驗鋼的主要化學成分（質量分數）%

從試驗板材上切取Φ6 mm×80 mm的試樣，在Gleeble 3500實驗機上模擬HFW焊接過程，峰值溫度為1 350℃，焊接線能量為16.1 kJ/cm，擠壓應力為25 MPa。用Gleeble 3500實驗機自帶的HAZ軟件包來生成熱循環曲線，對熱循環曲線上的1 350℃、800℃、500℃和模擬終止溫度295℃等關鍵數據點進行離散化，并采集這些關鍵數據點所對應的時間。圖1是HFW焊縫區的熱循環模擬曲線，分別為未添加和添加Force項（25 MPa）進行Table控制的焊點處溫度-時間曲線。

采集HFW焊接模擬過程中的TC1、Stroke、Force數據，在數據分析的基礎上采用雙坐標形式對TC1-Stroke、Stroke-Force、TC1-Force關系進行分析；其中，TC1為熱電偶焊點處的實測溫度，Stroke主要用以表征焊接熱循環過程中的擠壓形變量，Force主要用以表征焊接熱循環中的擠壓應力。在Gleeble 3500熱模擬實驗機上模擬HFW焊接過程，在熱電偶處沿軸向或徑向將焊接試樣切開，并對試樣的軸向截面和徑向截面進行硬度（HV10）測試與組織觀察。焊縫區取樣位置如圖2所示。

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫區金屬擠出溫度的研究

圖1 HFW焊縫區的熱循環模擬曲線

圖2 焊縫區取樣位置示意

以1號試驗鋼為例，對擠壓形變量隨時間變化的曲線進行分析，如圖3（a）所示。可將該曲線分為3個階段：階段Ⅰ為HFW焊接熱循環的準備過程，在室溫恒定擠壓應力控制下擠壓形變量趨于穩定；階段Ⅱ前期為模擬HFW快速加熱管體膨脹過程，后期為在擠壓輥作用下HFW焊接接頭形變將焊縫區金屬擠出焊縫的過程；階段Ⅲ為HFW焊接擠壓形變冷卻后擠壓形變量的穩態過程。以1號試驗鋼為例，對擠壓應力隨時間變化的曲線進行分析，如圖3（b）所示。Gleeble模擬整個HFW焊接過程中，以恒定擠壓應力進行控制，但在實際試驗過程中擠壓應力隨時間變化的曲線存在較大波動，也主要劃分為3個階段：階段Ⅰ為HFW焊接熱循環的準備過程，階段Ⅱ和階段Ⅲ中擠壓應力的波動主要與擠壓輥作用下焊縫金屬的擠出和HFW焊接熱循環冷卻過程中相變的發生有關。

圖31 號試驗鋼擠壓形變量、擠壓應力變化曲線

以1號試驗鋼為例，對Gleeble模擬HFW焊接熱循環中的擠壓形變量-擠壓應力、焊點處溫度-擠壓應力變化曲線進行分析，如圖4所示。從圖4可以看出：除HFW焊接熱循環的準備階段，擠壓應力波動變化主要有2個階段，階段Ⅰ發生的劇烈波動與擠壓形變量相對應，即與焊縫金屬的擠出有關；階段Ⅱ波動變化較為平緩，并且集中在冷卻相變溫度區間500～1 130℃。因此認為相變導致了擠壓應力的波動變化。

圖41 號試驗鋼擠壓形變量-擠壓應力、焊點處溫度-擠壓應力變化曲線

分析擠壓形變量-焊點處溫度關系，可知擠壓輥擠壓形變HFW焊接接頭將焊縫區金屬擠出焊縫過程的溫度區間。各試驗鋼的擠壓形變量與焊點處溫度的變化曲線如圖5所示。從圖5可看出：1～5號試驗鋼擠壓輥擠壓形變HFW焊接接頭將焊縫區金屬擠出焊縫過程的溫度區間（擠出開始溫度→峰值溫度→擠出終止溫度）分別為930℃→1 350℃→1 230℃、1 000℃→1 350℃→1 220℃、1 070℃→1 350℃→1 150℃、1 040℃→1 350℃→1 190℃、1 070℃→1 350℃→1 100℃。

計算可知：1～5號試驗鋼的碳當量依次為0.421%、0.465%、0.573%、0.557%和0.669%。通過分析試驗鋼的碳當量、擠壓形變量與焊點處溫度變化曲線發現，試驗鋼的碳當量直接影響到焊縫區金屬（氧化物）的擠出溫度。試驗鋼的不同碳當量對焊縫區金屬擠出溫度的影響如圖6所示。對其進行線性擬合，可得到焊縫區金屬擠出開始溫度Ys與擠出終止溫度Yf的計算公式：

圖5 1～5號試驗鋼的擠壓形變量與焊點處溫度變化曲線

圖6 試驗鋼的不同碳當量對焊縫區金屬擠出溫度的影響

式中CE——碳當量。

從圖6可以看出：試驗鋼的碳當量越大，焊縫區金屬的擠出開始溫度越高，終止溫度就越低，不僅影響焊接質量，而且影響生產效率。

2.2 焊縫區冷裂紋敏感性分析

HFW焊接過程中，在焊縫區形成了不同的組織，因而焊縫區的硬度分布存在顯著差異。國際焊接學會認為：焊縫區的最大維氏硬度大于350 HV10時，焊接性能變差，焊接冷裂紋敏感性變高。1～5號試驗鋼HFW焊縫區的硬度分布如圖7所示。

從圖7（a）可以看出：1～5號試驗鋼焊縫區的徑向硬度平均值依次為240 HV10、258 HV10、310 HV10、302 HV10和351 HV10，這與它們碳當量大小的變化趨勢基本一致。其中，5號試驗鋼的硬度為351 HV10，大于國際焊接學會對焊縫區最大維氏硬度值的要求，表明5號試驗鋼的焊接冷裂紋敏感性較高，焊接性能較差。5種試驗鋼焊縫區的徑向硬度分布比較均勻，不存在明顯差異，這說明在模擬HFW焊接過程中試樣的徑向溫度分布比較均勻，因此焊縫區的徑向組織也比較均勻。

圖7（b）可以看出：1～5號試驗鋼焊縫區的軸向硬度均呈先升高后趨于穩定的分布趨勢。這是因為在模擬HFW焊接過程中，焊縫區存在溫度分布梯度，這樣就在焊縫區軸向的不同位置形成不同組織，從而導致焊縫區的軸向硬度分布存在明顯差異；其中粗晶熱影響區的硬度最大（圖7b中4 mm位置附近），主要與HFW焊接過程中形成的淬硬組織及微合金元素的析出有關。1～5號試驗鋼焊縫區的軸向硬度分布與徑向一致，其中，5號試驗鋼軸向的最高硬度為427 HV10，因此具有最高的冷裂紋敏感性，焊接性能較差；1號和2號試驗鋼軸向的最高硬度分別為259 HV10和276 HV10，因此具有較低的焊接冷裂紋敏感性，焊接性能較好；而3號和4號試驗鋼軸向的最高硬度相對較大，分別為325 HV10和319 HV10，與國際焊接學會規定的焊縫區最高硬度值350 HV10比較接近，因此3號和4號試驗鋼的焊接性能較1號和2號差。

圖71 ～5號試驗鋼HFW焊縫區的硬度分布

2.3 焊縫區的組織分布

HFW焊接過程中主要是利用集膚效應、鄰近效應和熱傳導等共同作用，快速加熱管坯邊緣，然后在擠壓輥的擠壓作用下完成制管。該過程具有加熱速度快、熱輸入量大、峰值溫度高、擠壓力大、保溫時間短和自然連續冷卻等特點，因此距離線能量輸入位置由遠及近的焊縫區不同位置經歷了不同的熱循環過程，從而導致焊縫區不同位置的組織和性能存在顯著差異。以1、3、5號試驗鋼為例，分析各試驗鋼焊縫區的組織分布。

1號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌如圖8所示。從圖8可以看出：熱機械交界區主要為細長的魏氏體和少量的馬氏體；熱影響區主要為粗大的貝氏體；正火區主要為細小的貝氏體；母材由多邊形鐵素體和一定量的珠光體組成，具有明顯的帶狀組織特征。

3號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌如圖9所示。從圖9可以看出：熱機械交界區主要以馬氏體為主，需要焊后熱處理進行改善和消除；熱影響區也主要以馬氏體為主，并含有少量的魏氏體；正火區主要為細小的貝氏體和準多邊形鐵素體；母材主要為針狀鐵素體和貝氏體。

圖81 號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌

5號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌如圖10所示。從圖10可以看出：熱機械交界區和熱影響區主要以相對粗大的馬氏體為主；正火區主要以細化的貝氏體和準多邊形鐵素體為主；母材與正火區相似，但組織更為粗大。

圖93 號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌

圖105 號試驗鋼HFW焊縫區（軸向）及母材的組織形貌

綜上所述，1、3、5號試驗鋼HFW焊縫區的熱機械交界區組織粗大，并出現魏氏組織和淬硬的馬氏體。魏氏組織作為一種惡化焊縫區塑性和韌性的缺陷組織，必須通過后續熱處理進行消除；馬氏體作為一種淬硬組織加劇了焊縫區的淬硬傾向，在一定程度上也惡化了焊接性能，也需要通過熱張力減徑或焊縫退火處理進行改善［11］。

3 結論

（1）擠壓形變量、擠壓應力的波動變化主要與HFW焊接接頭經擠壓輥作用形變將焊縫區金屬擠出焊縫的過程及焊后冷卻過程中的相變有關。

（2）試驗鋼碳當量越高，焊縫金屬的擠出開始溫度就越高，終止溫度就越低。

（3）1號、2號試驗鋼的焊接性能較好；3號、4號試驗鋼的焊接性能相對差些；5號試驗鋼的焊接性能最差，必須通過后續熱處理進行改善。

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Research on HFW Process with Gleeble 3500 Thermal Simulator

WANG Jun1，2，TAN Xiao3，ZHANG Feng1，2，ZHAO Jianlong2，SU Wan2，QUAN Yong2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China；3.Changqing Petroleum Exploration Bureau Machinery Manufacture Plant，Xi’an 710201，China）

With the Gleeble 3500 thermal simulation testing machine，the HFW process is simulated to analyze the extrusion temperature，hardness and microstructure of weld zone metal.The test result shows that fluctuations of the extrusion deformation rate and the extrusion strain are mainly related to the phase transition of the weld zone metal during extrusion process and the after-welding cooling process.The higher the carbon equivalent of the tested steel，the higher the initial temperature of the weld zone metal extrusion，whereas the lower the final temperature，which not only affects the welding quality，but also affects the production efficiency.

high frequency welding（HFW）；weld zone；thermal simulation；carbon equivalent；cold crack；hardness；microstructure

TG444

B

1001-2311（2014）06-0024-06

2014-04-29；修定日期：2014-06-04）

王軍（1981-），男，碩士，工程師，主要從事新型油套管開發工作。