工业纯钛摩擦螺柱焊接头组织与性能研究

为解决传统电弧螺柱焊焊接大直径(M≥12 mm)有色金属时焊缝合格率低、焊接工艺繁琐等问题,提出采用静龙门式搅拌摩擦焊设备配合专用螺柱焊工装对尺寸为M12、材质为TA2的工业纯钛螺柱与底板进行焊接。并对三组不同顶锻位移下的工业纯钛螺柱焊接头进行宏观形貌、显微组织、抗扭强度与显微硬度分析。结果表明,在顶锻位移较小的情况下,TA2螺柱焊接头焊缝中心出现孔洞缺陷,顶锻位移中等的情况下焊缝中心出现条状缺陷,而较大参数下接头焊合良好,未发现缺陷;顶锻位移为3 mm时接头抗扭强度最高,可达117 N·m;锻造变形组织使焊缝附近区域显微硬度明显升高。

5A06与7A52-T6铝合金摩擦螺柱焊组织与力学性能研究

针对高强铝合金螺柱与基板熔化焊接存在的锌元素烧损、气孔/裂纹倾向性高、界面氧化膜难去除等问题,本研究提出了轴肩辅助式摩擦螺柱焊方法,成功实现了5A06铝合金螺柱与7A52-T6铝合金基板的优质焊接。结果表明,辅助轴肩可同时实现“控形”和“控性”的作用,焊缝表面成形光滑,无飞边缺陷。内部界面结合良好,无弱连接等缺陷。在优化的焊接参数下,摩擦螺柱焊剪切强度达245MPa。

16Mn钢摩擦螺柱焊接头的微观组织与局部腐蚀

为了研究16Mn钢水下摩擦螺柱焊接头的微观组织及微区电化学腐蚀行为,采用扫描振动参比电极技术(SVET)和局部电化学阻抗谱(LEIS)对摩擦螺柱焊接头处不同区域的腐蚀电流密度及电化学阻抗进行了测试分析;采用金相显微镜和扫描电子显微镜观察了焊接接头腐蚀前后的金相组织和微观形貌;采用X射线应力测定仪测定了焊件不同区域的残余应力.结果表明:16Mn钢摩擦螺柱焊接件在焊缝区晶粒最为细小,组织最为致密;另外,焊件上的残余应力均呈现为压应力,且在焊缝处的压应力最小(-96MPa);SVET和LEIS试验结果表明,焊缝处的腐蚀电流密度最小,约为0.3μA/cm^2,局部阻抗值最大,约为169kΩ.这说明在焊件接头各区域中,焊缝处的耐腐蚀性最好,原因可能是焊缝区的微观组织比较致密,并且残余应力较小.

基于Abaqus的水下摩擦螺柱焊焊接过程仿真

采用Abaqus有限元计算软件,对摩擦螺柱焊的焊接过程进行了仿真研究.通过在Abaqus/stand算法的基础上利用Python脚本编程实现了参数化建模、网格自动重划分以及结果映射、散热边界自动选取等功能,有效解决了焊接过程中由于材料大规模非线性塑性变形导致的计算收敛困难问题.仿真计算获得的螺柱塑性变形情况与实际焊接结果基本一致,有效证明了该有限元模型的合理性.另外,通过对焊接温度场及应力场结果的分析,较好的解释了干式环境和有水环境下采用相同焊接工艺参数的焊接接头质量存在差异的现象,这对摩擦螺柱焊技术的水下应用及其工艺参数研究具有重要的指导意义.

摩擦螺柱焊在水下连接领域的发展与应用

摩擦螺柱焊是摩擦焊技术的的一种,在焊接过程中,焊机带动螺柱旋转并轴向进给,当旋转螺柱与基板接触时开始摩擦剪切过程,并对基板上的接触部位加热,摩擦过程持续一小段时间后螺柱停转,然后维持或增大压力进行顶锻完成焊接。国外试验研究表明该技术在水下环境亦能获得较好的连接质量,因而在水下牺牲阳极等非重要钢结构物的连接方面具有巨大的应用潜力。国内应该优先结合海洋石油工业的实际发展需求,尽快开展相应的应用基础研究工作。

旋转速度对摩擦螺柱焊接头力学性能的影响

摩擦螺柱焊是一种固相连接技术,因不受压力环境影响且接头性能优异而在水下连接领域得到了迅速发展。基于摩擦焊技术特点,研究摩擦螺柱焊工艺,分析了旋转速度对摩擦螺柱焊接头力学性能的影响。分别采用不同的旋转速度进行焊接试验并对接头进行拉伸试验,研究表明,在高转速、高进给速度条件下能够获得优质的摩擦螺柱焊接头。

摩擦螺柱焊水下焊接工艺的初步研究

摩擦螺柱焊是摩擦焊技术的一种。国外试验研究表明,该技术在水下环境可以获得较好的连接质量,因而在水下牺牲阳极等非重要钢结构物的连接方面具有巨大的应用潜力。本文在对空气中和水下两种环境下焊接试验对比的基础上,对摩擦螺柱焊水下焊接工艺进行了初步研究。结果表明,在水下焊接时其热影响区小,采用高转速匹配高进给速度的焊接工艺,不仅更易获得优质的焊接接头,还可以提高焊接效率。

基于X65钢的摩擦螺柱焊可行性焊接工艺

影响管线钢摩擦螺柱焊焊接性能的主要焊接工艺参数包括主轴转速、进给速度、焊接压力.在参考其他摩擦焊研究方法的基础上,以X65钢为对象,利用实验室现有的摩擦焊设备,进行大量不同工艺参数组合下的焊接试验.通过对焊接接头的宏观形貌、金相、力学等性能的测试分析来评定接头质量,期望得出以X65钢为代表的管线钢摩擦螺柱焊的可行性焊接工艺,为实际生产提供指导.

轴向压力对摩擦螺柱焊成形过程的影响

基于摩擦焊技术特点,对摩擦螺柱焊工艺进行研究,分析了轴向压力这一关键工艺参数对摩擦螺柱焊成形过程的影响。分别在焊接不同阶段采用不同的轴向压力进行焊接试验并对接头进行拉伸试验。通过对试验结果进行对比,分析轴向压力对摩擦螺柱焊成形过程的影响。结果表明,在摩擦螺柱焊成形过程中,采用逐级增加的轴向压力可有效提高焊接质量。

焊接环境对摩擦螺柱焊成形质量的影响

在参考国外相关文献的基础上,研究了空气中、水下和水下增加螺柱保护这3种不同焊接环境对摩擦螺柱焊接头力学性能的影响。结果表明,空气中焊接时,螺柱转速与进给速度匹配合适即可获得优质的焊接接头;水下焊接时要适当提高转速,增大热输入以补偿热量散失;水下增加螺柱保护条件焊接时,螺柱表面的保护层可能会造成热量累积,从而对成形不利。

转速对铝-镁异种金属摩擦螺柱焊接头的影响

采用摩擦螺柱焊对铝、镁异种金属进行连接,并结合数值模拟对焊接过程的温度场进行分析,研究焊接转速对接头微观结构和温度场的影响。结果表明,结合界面的镁合金一侧出现了膨胀现象,异种金属结合界面扩散层的厚度随着转速的增加而增加,转速为2500 r/min时,扩散层厚度达到35μm;转速的增加会使焊缝内部的峰值温度和高温区域范围增加。断裂发生在在铝-镁结合界面处,表明结合界面为整个接头的薄弱部位。

预热对6061铝合金摩擦螺柱焊接头组织及力学性能的影响

采用预热摩擦螺柱方法对6061铝合金板材和螺柱进行摩擦螺柱焊接,焊后测试接头拉伸性能,观察次生摩擦面层厚度及显微组织特征。结果表明:由拉伸试验及断口特征可知,断裂都发生在次生摩擦面上。铝板预热后,次生摩擦面层厚度明显减小,接头的力学性能随预热温度的上升先增强后减弱。本试验接头抗拉强度峰值的预热温度为350℃,配合以合理的工艺参数,可获得高强可靠的焊接接头。由接头组织特征可知,预热后界面板侧针状树枝形貌有所减少并趋于无序化,漩涡环流的出现表明预热对界面金属塑性流动性能有显著改善作用;预热使得热机影响区及近焊缝母材的温度可到达再结晶温度,粗化的晶粒转变为均匀细小的等轴晶粒。

海底管道水下摩擦螺柱焊焊接工艺研究

为了研究海洋石油管道16寸X65管线钢摩擦螺柱焊焊接接头金相组织及其抗腐蚀性能,利用金相显微镜观察焊接试样各区的金相组织,采用微区电化学阻抗测试(LEIS)对焊接试样各区域进行微区电化学扫描,比较焊接各区域的耐蚀性。结果表明:通过LEIS测试,焊缝区的局部阻抗值最大,即表明焊接试样的焊缝区的耐蚀性最好,16Mn材料的棒材耐蚀性最差;通过金相组织的观测,焊缝区的金相组织也是最为细小致密的。

基于ROV的水下摩擦螺柱焊海底管道牺牲阳极安装技术应用

为实现摩擦螺柱焊海底管道牺牲阳极的安装,设计并制造出一款基于水下机器人(Remote Operated Vehicle,ROV)的水下摩擦螺柱焊接工装。在机械方面:使用双臂夹持式固定机构对管道固定,对整体结构做受力分析,关键位置进行有限元分析;在液压与控制方面,对液压油路进行分析,通过液压阀的配合完成焊接工装的油路控制;最后对焊接工装进行陆上与海洋测,结果表明:本装置在焊接过程中,装置运转稳定,焊接接头力学性能良好,装置机械结构与液压系统完全符合预期。