不同环境下X65管线钢摩擦塞焊搭接焊接头组织和力学性能分析

为了研究摩擦塞焊搭接接头的金相组织和力学性能,分别在空气中和水下对圆锥形搭接试样进行试验.结果表明,在空气中焊接时,没有焊接缺陷的产生;在水下焊接时,低的焊接工艺参数导致接头产生未填充和未连接两种焊接缺陷.接头中焊缝和热影响区组织为上贝氏体,母材为细小的铁素体和珠光体组织.接头的硬度分布为母材最低,热影响区次之,焊缝最高,水下搭接接头的硬度一般高于空气中接头的硬度.在空气中焊接时,只有塞孔底部的拉伸试样断裂在结合线处;而在水下焊接时,靠近塞孔底部的两个拉伸试样在结合线处发生断裂.

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。

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。

X52管线钢水下摩擦圆锥塞焊接头组织特征

对X52管线钢进行了水下摩擦圆锥塞焊工艺试验,对不同焊接工艺参数下接头的微观组织进行了金相显微镜及扫描电镜观测,探讨了工艺参数对X52管线钢水下摩擦圆锥塞焊接头组织的影响.结果表明,接头可以分为锻造区、最终摩擦界面、剪切变形区、结合区及热影响区.其中剪切变形区呈层状结构,所形成的焊缝微观组织极不均匀,且出现粗大晶粒.相比于焊接转速,轴向压力对X52管线钢水下摩擦塞焊接头组织的影响更显著.摩擦塞焊接头组织与传统摩擦焊接头晶粒细化的特征不同,这是由于在“封闭式”摩擦焊过程中塞焊缝主要由剪切变形区组成.

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。

搅拌针锥度对塑料搅拌摩擦焊接头质量的影响

搅拌摩擦焊技术(FSW)现已广泛应用于热塑性复合材料的连接,其接头必须满足足够的强度。采用不同锥度的搅拌针,对以30%玻璃纤维为增强体,尼龙6为基体的热塑性复合材料(GFR PA6)进行水下搅拌摩擦焊实验,研究搅拌针锥度对焊缝力学性能及其缺陷的影响。结果表明,搅拌针类型的不同对焊接接头的强度影响最大,当搅拌针锥度为15°、转速1800 r/min、焊接速度20 mm/min时,得到的接头最大抗拉强度为45.25 Mpa,为母材强度的46.2%。三个焊接参数中搅拌针锥度对接头强度影响最为显著,其次是转速,最后是焊接速度。