[发明专利]一种管线钢高强度高韧性搅拌摩擦焊接头的制备方法

说明书

本发明的一种管线钢高强度高韧性搅拌摩擦焊接头的制备方法，属于管线钢焊接技术领域。该方法利用热模拟设备在不同应变速率下进行多道次热压缩实验，以测定不同应变速率下的奥氏体未再结晶温度。采用合适尺寸的搅拌头，以合理的热输入将NZ峰值温度控制在奥氏体未再结晶温区，同时抑制粗大晶粒和块状马氏体‑奥氏体(M‑A)组元在HAZ内生成。在焊接过程中采用Ar进行保护，且在焊后冷却过程中添加不同的冷却路径以调控焊接接头中的相组成，最终获得性能优异的焊接接头。本发明可以显著提高焊接接头的力学性能，解决了传统焊接过程中高热输入导致焊核区(NZ)和热影响区(HAZ)晶粒严重粗化的问题，适用于不同级别管线钢的连接。

技术领域：

本发明属搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种管线钢高强度高韧性搅拌摩擦焊接头的制备方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊方法。由于其峰值温度较低，在焊接过程中材料未发生熔化。因此与熔焊相比，FSW过程避免了裂纹、气孔和偏析等缺陷，并且通过选择合适长度的焊接工具，FSW可在1～2个道次内完成连接，提高生产效率。另外，FSW可实现全自动焊，无需开坡口、预热和缓冷，不受恶劣气候影响，焊缝稳定可靠，生产效率高。目前，FSW主要用于连接铝合金，并被广泛用于航空、航天、汽车、轨道交通等领域。但实践证明，将搅拌摩擦焊用于管线钢领域，还有许多难题需要解决，特别是焊核区(NZ)的晶粒粗化严重问题。这归因于在FSW管线钢过程中，其高熔点和强变形抗力导致NZ的峰值温度高，使晶粒严重粗化，最终接头的力学性能严重下降。因此，需要有效的方法抑制NZ的晶粒粗化，提高焊接接头力学性能。

众所周知，通过降低FSW热输入可细化焊缝晶粒，改善焊缝性能。专利“一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺”(CN102528268A)通过在外加冷却介质下进行FSW，降低NZ的峰值温度。当NZ峰值温度在A₃以下，甚至＜A₁情况下，FSW高强钢NZ的晶粒尺寸显著细化，可极大提高接头性能。然而，由于管线钢的管壁普遍较厚(10mm)，在峰值温度A3的低热输入进行FSW时，钢中大量高强度、低塑性的铁素体相将对焊接工具产生严重磨损，使工具寿命降低，生产成本增加。同时，由于工具抗力的增加，将使焊接速度变慢，降低了生产效率，因此低热输入不适用于管线钢管的FSW。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种管线钢高强度高韧性搅拌摩擦焊接头的制备方法。首先，利用热模拟设备在不同应变速率下进行多道次热压缩实验，以测定不同应变速率下的奥氏体未再结晶温度。采用合理热输入对管线钢进行FSW，将NZ峰值温度控制在奥氏体未再结晶温区。大量位错和亚结构被引入变形奥氏体晶粒中，为后续的连续冷却相变提供了大量的形核质点，十分利于组织的细化，解决了现有搅拌摩擦焊过程中NZ晶粒严重粗化的问题。此外，将NZ峰值温度控制在奥氏体相区，与铁素体相比，较软奥氏体可极大延长焊接工具的使用寿命，降低焊接成本，提高生产效率，具有良好的经济效益。最后，通过增加焊后冷却路径，对接头中的相(铁素体、粒状贝氏体(GB)、板条贝氏体(LB)和马氏体)组成进行调控，最终改善高强管线钢接头的强韧性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种管线钢高强度高韧性搅拌摩擦焊接头的制备方法，包括以下步骤；

(1)应力-应变曲线的测定：

取高强管线钢样品，利用热模拟设备对高强管线钢样品进行多道热压缩实验，以模拟搅拌摩擦焊接过程，试样的加热温度T为950～1250℃，应变量为0.05～0.7，应变速率为0.1～15s^-1，在连续冷却过程中进行多道次压缩试验，压缩道次为6～14次，道次间隔温度为20～40℃，道次间冷却速度为1～30℃/s，最终得到多道次热压缩试验的应力-应变曲线；

(2)奥氏体未再结晶温度(T_nr)的获取：