钢质燃气管道贯穿孔固相摩擦塞焊修补方法研究

刘永滨，杜华，徐哲

(中石油昆仑燃气有限公司燃气技术研究院，黑龙江哈尔滨150016)

0 前言

进入21世纪以来，随着国内城市建设速度的加快，钢质管道在各基础设施的建设中起着至关重要的作用，如天然气、暖气和废水处理管道等。部分管道已经服役较长时间，难免会出现各种缺陷，如腐蚀和贯穿裂纹等。钢质管道的贯穿缺陷会造成漏水、漏气等问题，易产生安全隐患;而更换管道需要一定的时间，对人们的生活造成不利影响。因此，钢质管道的在线修补技术是解决此类问题的关键环节。对于某些厚度较薄、精度较高的钢质管道来说，不允许修补后有变形;对于某些输送特定物质的管道，如天然气管道等，在修补过程中不允许产生火花，以免造成危险。

摩擦塞焊是英国焊接研究所发明的一种新型焊接技术，其基于固相原理，利用高速旋转的塞棒扎入到塞孔中心，二者相互接触、摩擦，形成塑化金属，塞棒边旋转边下扎，利用顶锻作用形成接头［1－2］。自摩擦塞焊发明以来，广大学者将其应用到许多材质以及工况的补焊［3－9］。栾国红等人［3］发现 LY12 铝合金摩擦塞焊接头内部包括两个材料塑化区，硬度在接头中心的塑化区趋于稳定，且与母材相当。张迅达等人［4］对DH36钢水下摩擦叠焊接头的组织和性能进行分析发现，焊接压力增加能改善接头连接质量，空气中焊接所得接头抗拉强度高于水中焊接接头。徐雅晨等人［5］对X65管线钢摩擦塞焊搭接接头进行补焊时发现，在空气中焊接时没有焊接缺陷的产生;在水下焊接时低转速和压力导致接头产生未填充和未连接缺陷。摩擦塞焊对塞棒材料的选择比较灵活，且对缺陷的尺寸无严格要求，因此其适用于钢质管道上贯穿孔的修补。

基于摩擦塞焊技术，对钢质燃气管道的贯穿孔进行修补，既要保证钢质管道修补后不发生变形，又要达到不漏气的效果。利用几种不同材质的塞棒对贯穿孔进行修补，研究不同塞棒的填充效果以及接头的显微组织。

1 试验材料与方法

使用 Q235B(0．15%C，0．3%Si，0．42%Mn，0．045%P，0．045%S)钢质管道为研究对象，其壁厚为7 mm。焊接试验前，在钢质管道上预制贯穿孔，孔的上端直径为7 mm，锥度为11°，如图1所示。将待焊区表面用砂纸打磨以去除表面杂质。补焊试验在型号为FSW-3LM-4012搅拌摩擦焊机上进行，焊接过程如图2所示。与传统塞焊不同的是，试验在下扎过程结束后，对塞棒施加横向移动，目的是将已填充的塞棒完全“留”在贯穿孔中，实现更好的填充效果。塞棒材料分别为6061铝合金、铜、钢，尺寸如图3所示。焊接过程中搅拌头的转速为 500 r/min，600 r/min，1 500 r/min，下压量为5 mm，停留时间为10 s;停留过程结束后，搅拌头的前进速度为50 mm/min，前进距离为10 mm。

图1 钢质管道贯穿孔示意图(mm)

焊接试验结束后，用电火花线切割机沿焊点中心切割金相试样。金相试样经打磨、抛光后在型号为VHX-1000E光学显微镜和蔡司电镜上进行显微组织观察。硬度在型号为HVS-1000的硬度计上测量，测量间距为0．5 mm，测量力为10 g，保压时间为10 s。

图2 焊接过程示意图

图3 塞棒尺寸示意图

2 试验结果与分析

2．1 填充效果

图4为使用不同塞棒所得补焊接头的表面成形形貌。图4a为使用钢质塞棒时所得接头填充效果，所用转速为500 r/min。从图4a可以看出，试件表面无孔洞，塞棒对贯穿孔的填充效果较好，但表面不平整。图4b为使用铜塞棒的填充效果，所用转速为600 r/min。从图4b可以看出，铜棒可对孔产生良好的填充效果。由于转速较低，焊接过程中的热量较少，因此表面成形较为粗糙。图4c为使用铝塞棒的填充效果，所用转速为1 200 r/min。铝具有良好的热塑性，对摩擦塞焊有着极好的适应性。如图4所示，铝棒的填充效果良好，但表面形成质量仍一般。

图4 不同塞棒的填充效果

2．2 接头横截面组织形貌及硬度分布

图5 为利用钢质塞棒所得补焊接头的填充效果。从图5a可以看出，利用钢质塞棒所得接头的填充深度约为钢板厚度的2/3。接头中心存在一较大的孔洞，分析原因可能是焊接过程中塞棒破碎所致。接头底部连接效果不好，存在明显裂纹。图5b为接头上部填充效果的放大图，此处塞棒和钢板之间发生了明显的结合，界面无裂纹。对此区域进行线扫描，位置如图5b所示。可以看出，铁元素分布十分均匀，含量无明显波动，此结果意味着塞棒和钢管之间发生了较好的结合。图5d为沿图5b中线扫描位置所测得的试件硬度。可以看出，硬度沿着线扫描方向无明显的变化，但由于焊接过程中塞棒变红，材料发生一定程度的软化，因此硬度呈轻微的下降趋势，但下降并不明显。

图6为补焊过程中的塑性材料流动示意图。在搅拌头高速旋转的过程中，塞棒材料在靠近钢壁表面的线速度与其直径呈正比，因此靠近钢板表面区域材料的流动速度高于塞棒底部材料的流动速度。将靠近钢板上表面的区域划分为材料的高速流动区，靠近孔底部的区域则为低速流动区。对于摩擦塞焊来说，高速流动区域的材料更易与母材结合形成连接。除此之外，因贯穿孔呈一定的锥度，钢板倾斜表面会在搅拌头下压时对其产生一定的垂向作用力，对塞棒材料起到顶锻作用，此顶锻作用对接头的成型起着决定性作用。文中所用的是贯穿孔，因此无法对其底部的材料提供顶锻作用。上述两原因的综合作用使得填充材料无法与贯穿孔底部产生有效结合。

图5 使用钢质塞棒的填充效果

图6 材料流动示意图

图7 为利用铜塞棒所得补焊接头的填充效果。使用铜塞棒的填充深度明显较大，且接头内部无孔洞缺陷。图7b为铜/钢结合界面的放大图。可以看出二者之间的结合较为紧密，无明显裂纹。从图7可以看出，铜塞棒可对钢质管道的贯穿孔进行良好的填充，可以起到基本的防止管道漏水、漏气的效果。然而，钢质管道在部分使用条件下，其内部压力很大，一般的物理结合无法彻底实现防漏的效果。进一步对铜/钢界面进行EDS分析，结果如图7c所示。从图可以看出两种元素在结合界面处的含量变化十分明显，没有形成明显的扩散层。因此可以推断，此时铜/钢之间并没有发生冶金结合，结合强度较弱。图7d为使用Cu塞棒所得接头界面处的硬度分布。由于Cu本身的硬度较低，因此接头内部的硬度值明显较低，约为100 HV左右，随着距界面距离的增大，硬度值几乎不变。

图8为使用铝塞棒所得接头的填充效果。铝具有良好的热塑性，对塞孔的填充效果较好，从图8a可以看出，铝塞棒对贯穿孔的填充深度超过板厚的一半。从图8b铝/钢界面的放大图可以看出，铝钢之间结合紧密，无裂纹、孔洞。图8c为铝/钢界面的元素分布。图9a为铝/钢界面的EDS分析。可以看出，铝钢之间发生了原子扩散，产生了扩散层，厚度约为1．5 μm。该扩散层意味着铝钢之间发生冶金结合，且结合强度较高，可承受钢质管道内部的压力。进一步分析铝/钢界面的元素分布可知，二者之间发生了较为明显的原子扩散(图8c)。图9b为使用铝塞棒的硬度分布。与使用Cu塞棒时相似，使用铝塞棒所得接头的硬度在界面处变化较大，硬度在铝侧明显下降，约为100 HV左右。

图7 使用铜质塞棒的填充效果

图8 使用铝质塞棒的填充效果

图9 铝/钢界面的元素和硬度分布

3 结论

(1)钢在填充过程中与钢筒摩擦生热，导致塞棒变红，形成冶金结合，补焊后接头组织和硬度均匀。

(2)铜/钢界面未发生冶金连接，结合强度较弱。补焊接头内部的硬度明显较低。

(3)铝塞棒具有较好的热塑性，在填充过程中与钢发生冶金连接，铝/钢界面生成厚度为1．5 μm的扩散层。