塞棒材料對DH36鋼干式摩擦疊焊力學(xué)性能的影響

曹 軍，楊 帆，黃江中，陳 勇，王志江 ，賀 鈞 ，王東坡

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

塞棒材料對DH36鋼干式摩擦疊焊力學(xué)性能的影響

曹 軍1，楊 帆1，黃江中1，陳 勇1，王志江2，3，賀 鈞2，3，王東坡2，3

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

摩擦疊焊由于其焊接質(zhì)量受水深影響很小，因此較適用于水下修復(fù)的固相焊接。為了研究塞棒材料對DH36鋼干式摩擦疊焊力學(xué)性能的影響，在進行水下焊接試驗之前，先通過干法摩擦疊焊的試驗來研究該方法的焊接過程。針對兩種塞棒材料，進行了干式摩擦疊焊在空氣中焊接的焊縫力學(xué)性能的對比研究，對焊接過后焊縫的拉伸、彎曲以及沖擊韌性等進行了對比，結(jié)果表明強度級別相差不大的鋼作為塞棒材料進行摩擦疊焊時，焊縫的力學(xué)性能差異不大。

焊接；干式摩擦疊焊；塞棒材料；力學(xué)性能

水下摩擦疊焊技術(shù)是在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)摩擦焊基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)，其基本原理是高速旋轉(zhuǎn)的圓柱或圓錐塞棒在軸向壓力作用下與事先加工好的塞孔摩擦剪切，由于摩擦熱的作用，塞棒與塞孔接觸面部分金屬將成為熱塑性狀態(tài)，在摩擦剪切力的作用下快速填充凹孔形成摩擦塞焊縫，多個摩擦塞焊縫相互疊加便形成了摩擦疊焊焊縫。與傳統(tǒng)的水下干法或濕法熔焊比較，水下摩擦疊焊具有對水深不敏感、焊接效率高、易于自動化和焊縫質(zhì)量好等優(yōu)勢，因而在海洋平臺和海底管道等水下鋼結(jié)構(gòu)物修復(fù)方面具有極大的應(yīng)用潛力[1-2]。

二十多年來，歐盟已投入大量精力分別對S235，X65以及AISI 4140等不同強度級別碳鋼/低合金鋼和AZ31鎂合金進行了工藝試驗研究[3-6]，大部分都是空氣中的工藝試驗；而國內(nèi)對于摩擦疊焊的研究起步較晚，北京石油化工學(xué)院率先對2024/LY12鋁合金進行了空氣中的工藝試驗[7-11]。筆者將對海洋結(jié)構(gòu)用鋼DH36鋼進行干式摩擦疊焊工藝試驗研究，研究不同材料塞棒對DH36鋼干式摩擦疊焊焊接接頭力學(xué)性能的影響。

1 試驗條件

母材選用船舶用低合金結(jié)構(gòu)鋼DH36，該系列產(chǎn)品具有良好的綜合力學(xué)性能，焊接性能和工藝性能。適用于制造遠洋，沿海和內(nèi)河航區(qū)船舶船體結(jié)構(gòu)，船塢，采油平臺，海洋中輸送管道，沿海發(fā)電廠以及碼頭設(shè)施等結(jié)構(gòu)件。其化學(xué)成分與基本力學(xué)性能按GB712-2000規(guī)定見表1和表2。塞棒選用 DH36(PQR：FT)、Q345(PQR：FU)兩種材料，在其他焊接參數(shù)一定的情況下來研究不同材料的塞棒對焊縫性能的影響。摩擦疊焊焊接參數(shù)見表3。

表1 標準要求DH36化學(xué)成分 ％

表2 母材的基本力學(xué)性能標準要求

表3 摩擦疊焊焊接參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

如圖1、圖2切取焊接接頭制成拉伸和沖擊韌性試樣。以4mm×25mm×200mm長條試樣做彎曲試樣，尺寸按照焊接接頭力學(xué)性能取樣標準AWS D3.6進行，并對切割完的試樣表面進行打磨去除油污。拉伸試驗、彎曲試驗在CSS-44100電子萬能試驗機上進行，采用力-位移控制方式，拉伸加載速度1mm/min，彎曲加載速度0.5mm/min。

圖1 拉伸試樣加工圖

圖2 沖擊韌性試樣加工圖

沖擊試樣的截取位置如圖2所示，V形坡口的位置靠近焊接接頭連接界面處，并進行-20℃低溫沖擊試驗。沖擊試驗在鐘擺式?jīng)_擊試驗機JBD-300B/300J上進行。干式摩擦疊焊的力學(xué)性能測試結(jié)果見表4～表6所示。可以看出，DH36和Q345兩種強度級別差距不大的塞棒材料得出的試樣，在進行拉伸測試時均在母材位置斷裂，彎曲試驗結(jié)果均為合格。相應(yīng)試驗后試樣的實物照片如圖3～圖5所示。

表4 拉伸性能測試結(jié)果

表5 彎曲性能測試結(jié)果

表6 0℃沖擊韌性測試結(jié)果

圖3 拉伸試驗后試樣的實物照片

圖4 彎曲試驗后試樣的實物照片

從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，DH36和Q345兩種強度級別差不多的材料作為塞棒，得到的摩擦疊焊焊縫力學(xué)性能均能達到母材性能的80％，在拉伸強度、彎曲性能及沖擊韌性等方面均差別不大。

圖5 沖擊試驗后試樣的實物照片

3 結(jié) 論

(1)干式摩擦疊焊的力學(xué)性能，在主軸轉(zhuǎn)速7 000 r/min，焊接壓力2 t，頂鍛壓力2.5 t，頂鍛時間3.5s，預(yù)熱時間3.5s，消耗量18mm的焊接參數(shù)情況下能達到母材的80％。

(2)在其他焊接參數(shù)相同的情況下，兩種強度級別差不多的材料作為塞棒，得到的摩擦疊焊焊縫力學(xué)性能在拉伸強度、彎曲性能及沖擊韌性等方面均差別不大。

[1]陳家慶,焦向東,邱宗義,等.摩擦疊焊--- 一種新型的固相連接技術(shù)[J].焊接技術(shù),2007,36(01):1-7.

[2]周燦豐,焦向東,陳家慶,等.海洋工程水下連接新技術(shù)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報,2006,14(03):20-25.

[3] THOMAS W M,SMITH P T.Friction plug extrusion[P].United Kingdom:9621416.8.1997.

[4] NICHOLAS E D,THOMAS W M.A review of friction process for aerospace applications[J].International Journal of Materials and Product Technology,1998,13(1/2):45-55.

[5] AMBROZIAK A,GUL B.Investigations of underwater FHPP for welding steel overlap joints[J].Archives of civil and mechanical engineering,2007,7(02):67-76.

[6] MEYER A.Friction hydro pillar processing:bonding mechanism and properties[D].GKSS-Forschungszentrum,2003.

[7]焦向東,周燦豐,陳家慶,等.摩擦疊焊方法和實驗裝置[P].中國:200710079325.3,2008.

[8]高輝.摩擦疊焊試驗裝置及焊接工藝研究[D].北京:北京石油化工學(xué)院,2010.

[9]占宏偉,焦向東,高輝,等.摩擦疊焊單元成型質(zhì)量影響因素研究[J].電焊機,2011,41(05):62-65.

[10]高輝,焦向東,周燦豐,等.預(yù)熱對LY12鋁合金摩擦疊焊質(zhì)量的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2010,44(增刊):70-73.

[11]陳忠海,陳家慶,焦向東,等.2024鋁合金圓柱形組合的FHPP試驗分析[J].焊接學(xué)報,2009,30(11):37-41.

Influence of Stopper Material on Mechanical Properties of DH36 Steel Dry-type Friction Stitch Welding

CAO Jun1,YANG Fan1,HUANG Jiangzhong1,CHEN Yong1,WANG Zhijiang2,3,HE Jun2,3,WANG Dongpo2,3
(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;2.Tianjin key Laboratory of Modem Connection Technology,Tianjin 300072,China;3.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Due to the welding quality is slightly affected by water depth,so the friction stitch is more suitable for solid-phase welding of underwater repair.In order to study the influence of stopper material on the mechanical properties of DH36 steel dry-type friction stitch welding,before underwater welding experiment,it researched the welding process of the above welding method through dry-type friction stitch welding experiment.Aim at 2 kinds of stopper material,in this article it compared the mechanical properties of weld obtained by adopting dry-type friction stitch welding,including tensile performance,bending performance,and impact toughness etc.The test results showed that when several kinds of steel with a little difference in grade are used as stopper material to do friction stitch welding,the difference of weld mechanical properties is not big.

welding;dry-type friction stitch welding;stopper material;mechanical properties;

TG407

A

1001-3938(2015)01-0017-04

曹 軍(1971—)，男，畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)，焊接設(shè)備及工藝專業(yè)，現(xiàn)任海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接實驗室經(jīng)理，高級工程師，主要負責(zé)焊接工藝開發(fā)等相關(guān)工作。

2014-08-14

張 歌