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英国焊接研究所于1995年针对海洋工程中金属结构水下连接和修复的重大需求提出了等静压摩擦圆柱塞(Friction hydro pillar processing,FHPP)及圆锥塞(Friction taper plug welding,FTPW)焊接新型固相连接技术。截止目前,有关水下FHPP/FTPW技术的研究工作尚处于设备研制和可行性验证阶段,成功案例和公开报道寥寥无几。因此,对于水下FHPP/FTPW尚有诸多基础问题需要澄清,如设备参数的设计,水下制备高质量接头的可行性及工艺窗口,影响接头质量的关键因素,接头冶金连接机制、显微组织演变规律、基本力学性能、失效和强韧机制等。本文针对水下FHPP/FTPW在海洋工程中的应用,成功研制了目前具有最大承载能力和输出功率的试验样机,以DH36钢和X65钢为试验材料分别在空气和水介质中开展了相关基础研究工作。采用FTPW工艺在空气和水介质中制备了大量无缺陷焊接接头,揭示了其焊接冶金特征并基本解决了水下焊接工艺问题。利用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射分析(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)等研究了焊接接头显微演变规律,通过拉伸试验、弯曲试验、冲击试验和断口分析等系统地研究了接头的力学性能。主要结论包括:(1)针对水下FHPP/FTPW工况,成功研制了包括压力控制主轴头装置、液压动力系统和自动控制系统的试验样机,其最高转速为8000rpm、最大轴向压力60kN,最大输出扭矩100Nm,总功率93kW。基于该样机成功地实现了钻孔、焊接、切割和平整的连续焊接作业,并在X65管型结构实现了FPTW缝焊过程,并获得了连续的焊接接头。(2)对于DH36钢,在空气介质中,采用FTPW工艺可在7000~7500rpm焊接转速和25~40kN轴向压力条件下制备大量无缺陷接头。FTPW过程中塞孔侧壁和底部峰的值温度分别可达1180℃和965℃,对应区域t8/5分别为26s和34.5s。FHPP及FTPW过程能量输入可由焊接扭矩函数对时间的积分进行计算,随焊接压力增加焊接时间、t8/5及能量输入均明显减小。Q235B塞棒FTPW接头的焊缝区含有晶界铁素体、侧板条铁素体魏氏组织等,焊接热影响区主要为板条贝氏体组织。FTPW接头具有优异的拉伸性能,在较优参数下焊接接头在母材断裂。(3)在水介质中,采用FHPP工艺极难实现DH36钢的水下无缺陷焊接,接头中存在大量未焊合和未填充缺陷。采用FTPW工艺,将塞孔锥角限定在18~24°条件下则可以实现无缺陷焊接,其焊缝成型质量稳定且受水介质影响较小。基于大量水下焊接试验提出:对于DH36钢,当塞孔锥角为24°配合塞棒锥角为21°时,水下FTPW的无缺陷焊接工艺窗口范围为焊接转速7000~7500rpm和轴向压力25~45kN。(4)基于OM、SEM及EBSD等手段对水下DH36钢接头中结合界面显微组织的分析对水下FTPW连接机理进行了探讨。分析认为,FTPW过程中由塞棒消耗所产生的热塑性材料在摩擦剪切及轴向力的共同作用下流入塞孔与塞棒间的空隙并将其填满,这部分热塑性材料在热力耦合作用下发生了动态再结晶而形成多边形铁素体组织,与此同时铁素体晶粒与塞孔侧壁紧密贴合并在结合界面处形成新的晶界,从而实现了塞棒材料与塞孔侧壁的冶金连接。(5)利用OM、SEM、TEM及EBSD等方法对DH36钢水下FTPW接头各区域的显微组织进行了表征和分析。研究发现,以DH36钢为塞棒材料时,焊缝区主要为板条马氏体和板条状贝氏体,其中贝氏体板条尺寸较为粗大。在一个原奥氏体晶粒内可形成多个马氏体及贝氏体板条束,各板条束中的马氏体及贝氏体板条相互平行且多以小角度晶界分割。不同塞棒材料接头焊缝区组织明显不同,但对焊接热影响区组织影响极小:采用Q235B塞棒时,焊缝区发现有大量魏氏组织、晶界铁素体和侧板条铁素体在粗大原奥氏体晶界及晶内形成;采用Q345B塞棒时,焊缝区的晶界铁素体尺寸和数量明显减小,在原奥氏体晶粒内形成大量尺寸细小且取向随机的针状铁素体及少量板条贝氏体。(6)DH36钢水下FTPW接头具有良好的拉伸性能和冲击性能:较好工艺参数下,接头抗拉强度与母材相等其延伸率在10%~25%之间;在0℃试验温度下,DH36塞棒焊接接头的结合线和焊缝冲击功最高分别可达39.5J和51.5J;在相同焊接工艺参数下,采用Q345B塞棒可使焊缝和结合线的冲击功均可提高10~20J以上。分析认为,接头冲击韧性提高的主要原因是焊缝组织中形成了大量细小针状铁素体,SEM观察发现其断口表面具有解理面、细小韧窝和撕裂棱的混合特征。(7)针对X65钢,采用FTPW工艺在水介质中制备了大量无缺陷焊接接头,其焊缝区组织为板条马氏体、晶界铁素体、贝氏体和针状铁素体组织,热影响区以板条状上贝氏体为主。无缺陷焊接接头的拉伸性能与母材相当,R=6T弯曲至180°时无裂纹,0℃冲击功为70~110J,均可满足AWS D3.6 B级焊缝要求,但焊缝区最高硬度值480HV10不能满足要求。