海洋工程用鋼水下等靜壓摩擦柱塞焊接技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、英國(guó)焊接研究所于1995年針對(duì)海洋工程中金屬結(jié)構(gòu)水下連接和修復(fù)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(shù)。截止目前，有關(guān)水下FHPP/FTPW技術(shù)的研究工作尚處于設(shè)備研制和可行性驗(yàn)證階段，成功案例和公開報(bào)道寥寥無(wú)幾。因此，對(duì)于水下FHPP/FTPW尚有諸多基礎(chǔ)問題需要澄清

2、，如設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)，水下制備高質(zhì)量接頭的可行性及工藝窗口，影響接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，接頭冶金連接機(jī)制、顯微組織演變規(guī)律、基本力學(xué)性能、失效和強(qiáng)韌機(jī)制等。
　　本文針對(duì)水下FHPP/FTPW在海洋工程中的應(yīng)用，成功研制了目前具有最大承載能力和輸出功率的試驗(yàn)樣機(jī)，以DH36鋼和 X65鋼為試驗(yàn)材料分別在空氣和水介質(zhì)中開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。采用 FTPW工藝在空氣和水介質(zhì)中制備了大量無(wú)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(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和斷口分析等系統(tǒng)地研究了接頭的力學(xué)性能。主要結(jié)論包括：
　?。?）針對(duì)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(dòng)力系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)，其最高轉(zhuǎn)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(jī)成

4、功地實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了FPTW縫焊過程，并獲得了連續(xù)的焊接接頭。
　?。?）對(duì)于DH36鋼，在空氣介質(zhì)中，采用FTPW工藝可在7000~7500rpm焊接轉(zhuǎn)速和25~40kN軸向壓力條件下制備大量無(wú)缺陷接頭。FTPW過程中塞孔側(cè)壁和底部峰的值溫度分別可達(dá)1180℃和965℃，對(duì)應(yīng)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(shù)對(duì)時(shí)間的積分進(jìn)行計(jì)算

5、，隨焊接壓力增加焊接時(shí)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(cè)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(shù)下焊接接頭在母材斷裂。
　　（3）在水介質(zhì)中，采用FHPP工藝極難實(shí)現(xiàn)DH36鋼的水下無(wú)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(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷焊接，其焊縫成型質(zhì)量穩(wěn)定且受

6、水介質(zhì)影響較小?；诖罅克潞附釉囼?yàn)提出：對(duì)于DH36鋼，當(dāng)塞孔錐角為24°配合塞棒錐角為21°時(shí)，水下FTPW的無(wú)缺陷焊接工藝窗口范圍為焊接轉(zhuǎn)速7000~7500rpm和軸向壓力25~45kN。
　?。?）基于OM、SEM及EBSD等手段對(duì)水下DH36鋼接頭中結(jié)合界面顯微組織的分析對(duì)水下FTPW連接機(jī)理進(jìn)行了探討。分析認(rèn)為，F(xiàn)TPW過程中由塞棒消耗所產(chǎn)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶而形成多邊形鐵素體組織，與此同時(shí)鐵素體晶粒與塞孔側(cè)壁緊密貼合并在結(jié)合界面處形成新的晶界，從而實(shí)現(xiàn)了塞棒材料與塞孔側(cè)壁的冶金連接。
　　（5）利用OM、SEM、TEM及EBSD等方法對(duì)DH36鋼水下FTPW接頭各區(qū)域的顯微組織進(jìn)行了表征和分析。研究發(fā)現(xiàn)，以DH36鋼為塞棒材料時(shí)，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(gè)原奧氏體晶粒內(nèi)可形成多個(gè)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(duì)焊接熱影響區(qū)組織影響極小：采用 Q235B塞棒時(shí)，焊縫區(qū)發(fā)現(xiàn)有大量魏氏組織、晶界鐵素體和側(cè)板條鐵素體在粗大原奧氏體晶界及晶內(nèi)形成；采用Q345B塞棒時(shí)，焊縫區(qū)的晶界鐵素體尺寸和數(shù)量明顯減小，在原奧氏體晶粒內(nèi)形成大量尺寸細(xì)小且取向隨機(jī)的針狀鐵素體及少量板條貝氏體。
　?。?）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(shù)下，接頭抗拉強(qiáng)度與母材相等其延伸率在10％~25%之間；在0℃試驗(yàn)溫度下，DH36塞棒焊接接頭的結(jié)合線和焊縫沖擊功最高分別可達(dá)39.5J和51.5J；在相同焊接工藝參數(shù)下，采用 Q345B塞棒可使焊縫和結(jié)合線的沖擊功均可提高10~20J以上。分析認(rèn)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(xì)小針狀鐵素體，SEM觀察發(fā)現(xiàn)其斷口表面具有解理面、細(xì)小韌窩和撕裂棱的混合特征。
　　（7）針對(duì)X65鋼，采用FTP