异种钢水下等静压摩擦锥塞焊接工艺及组织性能研究

摘要

本文选用X52管线钢作为母材，Q345C和Q235C作为塞棒进行了异种材料水下等静压摩擦锥塞焊接（Friction taper plug welding，FTPW）工艺试验，研究不同类型 FTPW 焊接的工艺参数、焊缝成形、缺陷形成及组织演变和力学性能的相互影响机制，为应用水下FTPW技术修复海洋金属结构提供重要试验依据。 采用Q345C塞棒进行水下盲孔型FTPW焊接，在焊接转速为6500~7500rpm，轴向压力为 40~45kN 条件下可以获得无缺陷焊接接头。当焊接转速相同时，焊缝顶锻区及底部圆角过渡处的热影响区都会随着轴向压力的增大而不断增加；而当轴向压力相同时，焊接转速对其影响不明显。焊缝区组织主要由板条状马氏体和板条状贝氏体组成，其硬度可达450HV1。结合线附近形成细小的铁素体带组织特征。靠近结合线的母材热影响区也主要由大小不一的板条状马氏体和板条状贝氏体组成，其硬度可达430HV1。整个接头硬度分布产生明显淬硬现象。 水下盲孔型 FTPW 接头上部区域的拉伸性能优于接头下部区域的拉伸性能。其中，接头上部区域的拉伸试样基本上都是在母材处发生断裂，其抗拉强度为550.7~609.1MPa，延伸率为13.82~19.84%。接头下部区域的拉伸试样基本上都是在结合线发生断裂，其抗拉强度大部分低于550MPa，延伸率普遍低于10%。焊缝中心处和结合线处的0℃冲击吸收功最高分别为64J和65J，远低于母材的267J。母材CTOD值最高，平均值为0.993mm，焊缝CTOD值次之，为0.129~0.163mm，热影响区CTOD值最低，为0.020~0.071mm；焊缝和热影响区最高CTOD值分别为母材的16.41%和7.15%。 采用 Q235C 进行水下通孔型 FTPW 焊接，对给定 7000rpm 焊接转速，在30~35kN轴向压力下，塞焊缝容易出现未结合和未填充缺陷，随着轴向压力增加达到35kN以上，可以获得无缺陷焊接接头，焊缝顶锻区也不断增加。焊缝区主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、多边形铁素体、针状铁素体和魏氏铁素体构成，硬度在158~245HV1之间波动，淬硬现象不明显。结合线和母材热影响区的组织转变特征与水下盲孔型FTPW接头相似。 水下通孔型 FTPW 接头拉伸试样多数沿着结合线发生断裂，拉伸性能普遍较低，抗拉强度为 344.3~448.2MPa，焊接接头系数为 53.8~70.0%，延伸率仅为3.18~5.56%。少数在母材处发生断裂，与母材拉伸性能相当，抗拉强度为576.9~588.3MPa，焊接接头系数为 90.1~91.9%，延伸率为 18.28~19.94%。结合线处的 0℃冲击试样都是沿着结合线发生断裂，冲击吸收功最高为 28J，远低于母材的267J。

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