液压驱动水下摩擦焊机研制

针对水下结构物维修的需要,研制了液压驱动水下摩擦焊机。该摩擦焊机的主要特点是:主轴结构设计合理,能够满足高速重载运转的需要;主轴材料选择与密封设计,使得主轴可以长期应用于水下;主轴内部安装了转速传感器和磁致伸缩式位移传感器,能够很好地实现主轴转速和主轴位移测量;控制系统成功地实现了主轴转速、主轴进给速度和压力等焊接参数的自动控制,自动焊接程序可以根据塞棒烧损长度设置合适的焊接参数组合。试验表明,液压驱动水下摩擦焊机可以完成水下摩擦焊接,焊接接头强度超过母材强度的80%,对于海洋平台结构物的水下维修、牺牲阳极更换接线螺柱安装等具有较好的应用前景。

基于工作级水下机器人的水下摩擦焊技术研究

本文针对海底管道及其他水下结构物更换牺牲阳极组件的需要,完成了基于工作级ROV(Remotely Operated Vehicle,水下机器人)的水下摩擦焊装置的研制及其焊接工艺的开发。该技术可替代饱和潜水焊接作业,从而大幅度降低水下结构物的牺牲阳极更换成本。水下摩擦焊装置由焊接主轴头、阳极组件装夹工装、液压系统控制阀组、液压水下热插模块、电控模块及人机操作单元组成。液压控制阀组和电控模块可由ROV携带下水,电控模块的主控单元通过ROV的通讯光纤与人机操作单元进行信息交换。焊接主轴头由ROV的液压系统通过水下热插模块提供动力。这种模块化的系统设计可实现水下摩擦焊装置与ROV作业平台的快速安装与分离,有效提高了ROV作业平台的工作效率。通过对水下摩擦焊接工艺的研究,确定了8~16mm直径螺柱的水下焊接工艺,获得了抗拉强度高于母材的水下摩擦螺柱焊焊接接头,可实现水下牺牲阳极组件的焊接作业。

7020铝合金水下搅拌摩擦焊接头组织和力学性能

采用水下搅拌摩擦焊技术对厚度为5 mm的7020铝合金板材进行焊接,对接头的微观组织和力学性能进行了研究。结果表明:焊核区通过动态再结晶形成了细小的等轴晶,大部分沉淀相固溶到铝基体中。与常规的空冷接头相比,水冷接头焊核区微观组织更加细小,热机影响区沉淀相较多,热影响区的沉淀相细小,其软化区变窄。水冷接头的抗拉强度为(418.5±7.4)MPa,达到母材的90%,与空冷接头相比有较大的提高。

水下搅拌摩擦焊改善中厚度铝/镁成形和性能的研究

以厚度6 mm的铝/镁异种材料的搅拌摩擦焊为研究对象,分别在空气以及26.5℃和5℃的水下环境下进行焊接,对比研究不同环境下的接头的微观组织、接头性能,并对粘头机理进行探究。结果表明,水下搅拌摩擦焊能够有效降低焊接过程温度,抑制脆性Al-Mg金属间化合物的长大,缓解搅拌头粘头现象,能有效改善焊缝成形和接头力学性能。5℃冷却水环境下得到的铝/镁搅拌摩擦焊接头的拉伸性能和延伸率最高,达到129.3 MPa和4.4%,分别是常规空冷接头的1.8和3.9倍。同时揭示了搅拌头粘着材料主要由Mg_(2)Al_(3)和Al固溶体组成,说明搅拌头粘头现象与Al-Mg金属间化合物的生成直接相关。

2024铝合金水下搅拌摩擦焊热力耦合仿真分析

目的优化搅拌摩擦焊接工艺参数,以提高接头的力学性能。方法基于ABAQUS软件建立了热力耦合有限元模型,使用耦合欧拉-拉格朗日方法对典型的航空航天用板材2024铝合金的水下搅拌摩擦焊接过程进行了仿真研究。分析了搅拌摩擦焊接过程中板材的温度场分布和材料变形情况,同时研究了前进侧和后退侧相应位置材料的流动特征,进一步讨论了搅拌头冷却速度和摩擦因数对焊接温度和材料流变场的影响。结果当摩擦因数较小时,针对焊接过程的有限元模拟将会失败;前进侧和后退侧材料变形和流动差异显著;焊接温度和等效应变随摩擦因数的增大而升高,随冷却速度的增大而降低。结论当摩擦因数为0.8时,能较好地完成焊接。相对于空冷,水冷能明显缩短高温持续时间。

DH36钢水下摩擦塞焊工艺及力学性能

文中通过工艺试验研究了DH36钢水下摩擦塞焊工艺窗口及焊接接头的显微组织和力学性能．结果表明，在焊接转速较低时，焊接接头根部容易形成“未结合”焊接缺陷，提高焊接转速可有效避免缺陷的形成；焊接转速为7500 r／min、轴向压力在30～45 kN范围是较适宜的焊接工艺参数；焊接接头焊缝组织主要为板条马氏体和贝氏体，焊接热影响区的组织主要为贝氏体；焊接接头的拉伸性能和冲击性能均随焊接转速的提高有不同程度升高，但随轴向压力的变化不具有明显规律性；在较优的焊接工艺参数下（焊接转速7500 r／min、轴向压力40 kN）焊接接头屈服强度为370 MPa，抗拉强度为530 MPa，断后伸长率为22．5％，结合线处0℃冲击吸收功为42．5 J．

轴向压力对异种钢水下摩擦锥塞焊接头组织及力学性能的影响

在X52管线钢上采用Q345塞棒进行水下摩擦锥塞焊工艺试验研究,讨论轴向压力对塞焊接头组织和力学性能的影响.结果表明,对给定7 000 r/min焊接转速在30 kN轴向压力下,塞焊缝底部圆角过渡处易产生未结合缺陷,随着轴向压力增加达到35 kN以上,可以获得完全结合的致密塞焊缝,焊缝顶锻区及底部圆角过渡处的热影响区也不断扩大.由于水介质快速冷却作用,焊缝区组织特征比较复杂,主要由板条状马氏体和板条状贝氏体组成,硬度分布不均匀并产生明显淬硬现象其硬度可达450 HV1.在0℃下焊缝中心冲击吸收能量也会随着轴向压力的增加而不断提高,最高可以达到62 J,但远低于母材的267 J.

异种钢水下摩擦柱/锥塞焊接头组织及性能

应用X65、Q235C、Q345C和316L塞棒与X65母材塞孔配合对异种钢水下摩擦柱/锥塞焊过程进行试验研究,探讨塞焊缝区微观组织、显微硬度及力学性能变化规律。试验表明：在转速7 000 r/min、塞棒消耗量14 mm、焊接压力分别为30~50 k N和20~40 k N范围内,用X65和Q345C塞棒可获得无缺陷异种钢水下摩擦柱/锥塞焊接头。异种钢塞焊缝组织均与原始组织有明显差异,塞焊缝区域主要为贝氏体或马氏体或其混合组织特征;X65和Q345C塞棒均形成有效扩散冶金连接,结合界面处具有带状细小铁素体组织特征;316L塞棒与X65塞孔很难形成无缺陷摩擦柱/锥塞焊接头。异种钢塞焊缝区硬度普遍高于其母材,这种高匹配摩擦柱/锥塞焊缝接头有利于抗拉强度的提高,但塞焊缝附近的高硬化倾向将降低异种钢塞焊接头的塑性。研究结果为开发基于等静压摩擦柱/锥塞焊接技术的海底管线修复技术提供重要试验依据。

基于神经网络的汽车防锈铝水下搅拌摩擦焊工艺优化

以合金牌号、搅拌头旋转速度、焊接速度和轴肩下压量为输入层参数,接头效率为输出层参数,构建了汽车防锈铝水下搅拌摩擦焊工艺优化神经网络模型并进行了训练和验证,此外还对最佳工艺参数下获得的3003、5005和5052三种防锈铝水下搅拌摩擦焊接头进行X光无损检测、显微组织和拉伸性能测试.结果表明,该神经网络模型具有较强的预测能力和较高的预测精度,输出的接头效率相对预测误差为0.8％～2.6％;在最佳工艺参数下获得的3003、5005和5052三种防锈铝水下搅拌摩擦焊接头效率实测值分别为97.9％、96.5％和97.6％.

DH36钢水下摩擦柱塞焊缺陷及力学性能

对DH36结构钢进行25 mm孔深水下摩擦柱塞焊工艺试验,焊后分析和测试了接头的宏观形貌、焊接缺陷、显微硬度、拉伸以及冲击性能。研究结果表明,水下摩擦柱塞焊在塞孔底端拐角处容易出现未焊合缺陷。通过优化塞孔塞棒形状、焊接参数可以获得无缺陷水下焊接接头;接头硬度沿着塞孔横向呈典型的"M"形分布,焊缝发生明显的硬化倾向,最高硬度可达410 HV;水下焊接接头的抗拉强度最高可达母材的96%,-20℃冲击吸收功可达62 J。

DH36钢水下摩擦叠焊接头组织性能分析

采用天津大学自主研制的摩擦叠焊设备进行了DH36钢水下摩擦叠焊试验,对摩擦叠焊接头进行了显微组织观察和硬度测试,对比分析了不同焊接压力和不同焊接环境(水下和空气)下接头不同位置的拉伸性能.结果表明,水下摩擦叠焊接头不同部位显微组织与硬度均存在较大差异,焊缝区组织以板条马氏体和条状及粒状贝氏体为主,硬度最高值为489.3 HV10,焊缝上部区域硬度值略高于下部,中间单元焊缝(后焊)硬度值整体上高于两侧单元焊缝(先焊);焊接压力增加能一定程度改善接头连接质量;空气中焊接的试件平均抗拉强度高于水中焊接接头.

水下搅拌摩擦焊研究进展

水下搅拌摩擦焊可以扩展摩擦焊在海事工程上的应用,与常规的搅拌摩擦焊相比,水下焊接摩擦焊接的峰值温度更低,有利于减少金属间化合物,加强焊缝的拉伸强度与硬度,降低孔隙率,提高焊接接头质量。本文介绍了铝铝合金、镁铝合金之间的水下搅拌摩擦焊研究进展,包括转速和焊速等工艺参数对焊接接头质量的影响。为未来的水下搅拌焊接行业提供参考依据。

焊后热处理对X52管线钢水下摩擦塞焊接头断裂韧性的影响

采用裂纹尖端张开位移(Crack tip opening displacement,CTOD)试验方法对X52钢水下等静压摩擦圆锥塞焊接头的断裂行为进行试验研究,探讨了焊后热处理温度对接头不同位置的微观组织及断裂韧性的影响。结果表明,由于焊缝中心产生明显不均匀淬硬马氏体及少量魏氏组织,焊态下焊缝中心CTOD平均值仅为0.103 mm,明显低于母材断裂韧性。随着焊后热处理温度从500℃增加到800℃,焊缝中心区域不均匀淬硬组织转变为回火组织并趋于均匀化,这使得焊缝中心区域抗断能力获得有效提高;在800℃热处理后焊缝中心CTOD平均值可达到0.8 mm以上。但由于结合区中夹杂物的存在,经适当温度的焊后热处理后,焊缝结合区断裂韧性的提高仍非常有限,800℃热处理后结合区CTOD值最高可达到0.3 mm。接头结合区的抗断裂能力是影响水下摩擦圆锥塞焊修复技术应用的关键因素。

轴向偏移量对水下摩擦塞焊接头质量的影响

采用天津大学自主研发的水下摩擦塞焊设备,进行了不同塞孔与塞棒轴向偏移量(即不同同轴度)对接头质量影响的试验。对接头底部拐角处形貌进行了观察分析,对比分析了不同塞孔与塞棒设计尺寸和不同塞孔与塞棒轴向偏移量得到的接头质量。结果表明,在端部接触面积及塞孔与塞棒间隙较小的A类塞孔与塞棒形状尺寸下,不同偏移量均无法获得较高的接头质量,塞棒偏移后间隙较大的一侧缺陷更加严重。在无偏移的情况下,使用端部接触面积及塞孔与塞棒间隙较大的B类塞孔与塞棒的接头底部拐角处存在微小缺陷,接头质量总体较好。主轴的对中位置精度应控制在±0.5 mm以内。

焊后热处理对水下摩擦叠焊焊接接头质量的影响

基于摩擦叠焊技术特点,研究不同的焊后热处理工艺对水下摩擦叠焊焊接接头质量的影响。结果表明:焊后热处理能够明显细化水下摩擦叠焊焊接接头的组织晶粒,降低焊接接头的硬度,提高拉伸强度和弯曲性能。

轴向偏移量对水下摩擦塞焊接头质量影响研究

采用天津大学自主研发的水下摩擦塞焊设备,进行了不同塞孔塞棒轴向偏移量(即不同同轴度)对焊接质量影响的试验。对接头底部拐角处形貌及焊缝区显微组织进行了观察分析,对比分析了不同塞孔塞棒设计尺寸和不同塞孔塞棒轴向偏移量得到的接头质量。结果表明,在端部接触面积与塞孔塞棒间隙较小的A类塞孔塞棒形状尺寸下,不同偏移量均无法获得较高的接头质量,塞棒偏移后间隙较大的一侧缺陷更加严重;在无偏移的情况下,使用端部接触面积与塞孔塞棒间隙较大的B类塞孔形状尺寸的接头底部拐角处存在微小缺陷,接头质量总体较好;主轴的对中位置精度应控制在±0.5 mm以内。

镁/铝水下搅拌摩擦搭接焊接头组织与性能研究

为了控制界面金属间化合物的生成量及分布,采用水下搅拌摩擦搭接焊技术,在旋转速度1180 r/min、焊接速度47.5 mm/min条件下,制备了无宏观缺陷的AZ31Mg/6061Al焊接接头,并采用OM、SEM、EDS以及XRD技术对接头显微组织、元素分布、剪切强度及断口表面进行分析。结果显示:搭接界面过渡层厚度仅约为2.01μm;界面过渡层主要由Mg、Al、Al12Mg17以及少量的Mg2Al3组成;接头剪切强度达到5.3 kN,且Mg/Al搭接焊焊接断裂发生在过渡层脆性IMCs处。研究表明,SFSLW可有效抑制Mg/Al界面IMCs的生成,并能显著提高接头的剪切强度。

搅拌摩擦焊新方法与新技术的研究进展

针对搅拌摩擦焊在工程实际应用存在的问题,总结了20年来国内外在搅拌摩擦焊基础上开发出来的各种焊接新方法,阐述了各种新方法的开发背景、研究思路和原理,分析了其特点和应用,以及在制造领域的发展前景。

一种液压摩擦焊机电液系统研究与试验

针对海上石油平台、海底输送管线维修的需要,提供了一种液压摩擦焊机液压和电器系统设计思路,通过参数计算、电液控制系统设计,研发了一种液压摩擦焊机,通过对DH38钢摩擦叠焊单元成型工艺试验,发现焊接接头拉伸强度达到了母材强度的76%以上,验证了液压摩擦焊机的可靠性能,通过该研究的应用,可对海上石油平台、海底输送管线的维修起到积极作用。

塞棒材料和尺寸对摩擦叠焊接头成形缺陷的影响

采用天津大学自主研制的水下摩擦塞焊设备,通过改变塞棒材料和塞孔塞棒形状尺寸,研究其对DH36钢水下摩擦叠焊接头成形缺陷的影响。结果表明,端部接触面积与塞孔塞棒间隙较小的A类塞孔塞棒形状尺寸,采用DH36,5A02 (LF2),Q235,Q345作为塞棒材料,均无法获得无缺陷的摩擦叠焊接头质量。塞棒的端部与塞孔的底部完全贴合的塞孔塞棒设计尺寸虽可在焊接初始阶段直接在容易出现缺陷的底部拐角处产热,但塞孔与塞棒之间间隙很小,焊接时间短,摩擦叠焊接头质量未得到提高。建议增大塞孔底部接触面积和塞孔塞棒之间的空间。