海洋工程用鋼水下等靜壓摩擦柱塞焊接技術應用基礎研究.pdf

1、英國焊接研究所于1995年針對海洋工程中金屬結構水下連接和修復的重大需求提出了等靜壓摩擦圓柱塞(Friction hydro pillar processing, FHPP)及圓錐塞(Friction taper plug welding, FTPW)焊接新型固相連接技術。截止目前，有關水下FHPP/FTPW技術的研究工作尚處于設備研制和可行性驗證階段，成功案例和公開報道寥寥無幾。因此，對于水下FHPP/FTPW尚有諸多基礎問題需要澄清

2、，如設備參數的設計，水下制備高質量接頭的可行性及工藝窗口，影響接頭質量的關鍵因素，接頭冶金連接機制、顯微組織演變規(guī)律、基本力學性能、失效和強韌機制等。
　　本文針對水下FHPP/FTPW在海洋工程中的應用，成功研制了目前具有最大承載能力和輸出功率的試驗樣機，以DH36鋼和 X65鋼為試驗材料分別在空氣和水介質中開展了相關基礎研究工作。采用 FTPW工藝在空氣和水介質中制備了大量無缺陷焊接接頭，揭示了其焊接冶金特征并基本解決了水下焊

3、接工藝問題。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子背散射衍射分析(EBSD)、透射電子顯微鏡(TEM)等研究了焊接接頭顯微演變規(guī)律，通過拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和斷口分析等系統地研究了接頭的力學性能。主要結論包括：
　　（1）針對水下 FHPP/FTPW工況，成功研制了包括壓力控制主軸頭裝置、液壓動力系統和自動控制系統的試驗樣機，其最高轉速為8000rpm、最大軸向壓力60kN，最大輸出扭矩100Nm，總功率93kW?；谠摌訖C成

4、功地實現了鉆孔、焊接、切割和平整的連續(xù)焊接作業(yè)，并在X65管型結構實現了FPTW縫焊過程，并獲得了連續(xù)的焊接接頭。
　?。?）對于DH36鋼，在空氣介質中，采用FTPW工藝可在7000~7500rpm焊接轉速和25~40kN軸向壓力條件下制備大量無缺陷接頭。FTPW過程中塞孔側壁和底部峰的值溫度分別可達1180℃和965℃，對應區(qū)域t8/5分別為26s和34.5s。FHPP及FTPW過程能量輸入可由焊接扭矩函數對時間的積分進行計算

5、，隨焊接壓力增加焊接時間、t8/5及能量輸入均明顯減小。Q235B塞棒FTPW接頭的焊縫區(qū)含有晶界鐵素體、側板條鐵素體魏氏組織等，焊接熱影響區(qū)主要為板條貝氏體組織。FTPW接頭具有優(yōu)異的拉伸性能，在較優(yōu)參數下焊接接頭在母材斷裂。
　?。?）在水介質中，采用FHPP工藝極難實現DH36鋼的水下無缺陷焊接，接頭中存在大量未焊合和未填充缺陷。采用FTPW工藝，將塞孔錐角限定在18~24°條件下則可以實現無缺陷焊接，其焊縫成型質量穩(wěn)定且受

6、水介質影響較小?；诖罅克潞附釉囼炋岢觯簩τ贒H36鋼，當塞孔錐角為24°配合塞棒錐角為21°時，水下FTPW的無缺陷焊接工藝窗口范圍為焊接轉速7000~7500rpm和軸向壓力25~45kN。
　?。?）基于OM、SEM及EBSD等手段對水下DH36鋼接頭中結合界面顯微組織的分析對水下FTPW連接機理進行了探討。分析認為，FTPW過程中由塞棒消耗所產生的熱塑性材料在摩擦剪切及軸向力的共同作用下流入塞孔與塞棒間的空隙并將其填滿，

7、這部分熱塑性材料在熱力耦合作用下發(fā)生了動態(tài)再結晶而形成多邊形鐵素體組織，與此同時鐵素體晶粒與塞孔側壁緊密貼合并在結合界面處形成新的晶界，從而實現了塞棒材料與塞孔側壁的冶金連接。
　?。?）利用OM、SEM、TEM及EBSD等方法對DH36鋼水下FTPW接頭各區(qū)域的顯微組織進行了表征和分析。研究發(fā)現，以DH36鋼為塞棒材料時，焊縫區(qū)主要為板條馬氏體和板條狀貝氏體，其中貝氏體板條尺寸較為粗大。在一個原奧氏體晶粒內可形成多個馬氏體及貝氏

8、體板條束，各板條束中的馬氏體及貝氏體板條相互平行且多以小角度晶界分割。不同塞棒材料接頭焊縫區(qū)組織明顯不同，但對焊接熱影響區(qū)組織影響極?。翰捎?Q235B塞棒時，焊縫區(qū)發(fā)現有大量魏氏組織、晶界鐵素體和側板條鐵素體在粗大原奧氏體晶界及晶內形成；采用Q345B塞棒時，焊縫區(qū)的晶界鐵素體尺寸和數量明顯減小，在原奧氏體晶粒內形成大量尺寸細小且取向隨機的針狀鐵素體及少量板條貝氏體。
　　（6）DH36鋼水下FTPW接頭具有良好的拉伸性能和沖擊

9、性能：較好工藝參數下，接頭抗拉強度與母材相等其延伸率在10％~25%之間；在0℃試驗溫度下，DH36塞棒焊接接頭的結合線和焊縫沖擊功最高分別可達39.5J和51.5J；在相同焊接工藝參數下，采用 Q345B塞棒可使焊縫和結合線的沖擊功均可提高10~20J以上。分析認為，接頭沖擊韌性提高的主要原因是焊縫組織中形成了大量細小針狀鐵素體，SEM觀察發(fā)現其斷口表面具有解理面、細小韌窩和撕裂棱的混合特征。
　　（7）針對X65鋼，采用FTP