塞棒材料对DH36钢干式摩擦叠焊力学性能的影响

曹 军，杨 帆，黄江中，陈 勇，王志江 ，贺 钧 ，王东坡

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3.天津大学 材料科学与工程学院，天津300072)

塞棒材料对DH36钢干式摩擦叠焊力学性能的影响

曹 军1，杨 帆1，黄江中1，陈 勇1，王志江2，3，贺 钧2，3，王东坡2，3

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3.天津大学 材料科学与工程学院，天津300072)

摩擦叠焊由于其焊接质量受水深影响很小，因此较适用于水下修复的固相焊接。为了研究塞棒材料对DH36钢干式摩擦叠焊力学性能的影响，在进行水下焊接试验之前，先通过干法摩擦叠焊的试验来研究该方法的焊接过程。针对两种塞棒材料，进行了干式摩擦叠焊在空气中焊接的焊缝力学性能的对比研究，对焊接过后焊缝的拉伸、弯曲以及冲击韧性等进行了对比，结果表明强度级别相差不大的钢作为塞棒材料进行摩擦叠焊时，焊缝的力学性能差异不大。

焊接；干式摩擦叠焊；塞棒材料；力学性能

水下摩擦叠焊技术是在传统旋转摩擦焊基础上开发的一种新型固相连接技术，其基本原理是高速旋转的圆柱或圆锥塞棒在轴向压力作用下与事先加工好的塞孔摩擦剪切，由于摩擦热的作用，塞棒与塞孔接触面部分金属将成为热塑性状态，在摩擦剪切力的作用下快速填充凹孔形成摩擦塞焊缝，多个摩擦塞焊缝相互叠加便形成了摩擦叠焊焊缝。与传统的水下干法或湿法熔焊比较，水下摩擦叠焊具有对水深不敏感、焊接效率高、易于自动化和焊缝质量好等优势，因而在海洋平台和海底管道等水下钢结构物修复方面具有极大的应用潜力[1-2]。

二十多年来，欧盟已投入大量精力分别对S235，X65以及AISI 4140等不同强度级别碳钢/低合金钢和AZ31镁合金进行了工艺试验研究[3-6]，大部分都是空气中的工艺试验；而国内对于摩擦叠焊的研究起步较晚，北京石油化工学院率先对2024/LY12铝合金进行了空气中的工艺试验[7-11]。笔者将对海洋结构用钢DH36钢进行干式摩擦叠焊工艺试验研究，研究不同材料塞棒对DH36钢干式摩擦叠焊焊接接头力学性能的影响。

1 试验条件

母材选用船舶用低合金结构钢DH36，该系列产品具有良好的综合力学性能，焊接性能和工艺性能。适用于制造远洋，沿海和内河航区船舶船体结构，船坞，采油平台，海洋中输送管道，沿海发电厂以及码头设施等结构件。其化学成分与基本力学性能按GB712-2000规定见表1和表2。塞棒选用 DH36(PQR：FT)、Q345(PQR：FU)两种材料，在其他焊接参数一定的情况下来研究不同材料的塞棒对焊缝性能的影响。摩擦叠焊焊接参数见表3。

表1 标准要求DH36化学成分 ％

表2 母材的基本力学性能标准要求

表3 摩擦叠焊焊接参数

2 试验结果及分析

如图1、图2切取焊接接头制成拉伸和冲击韧性试样。以4mm×25mm×200mm长条试样做弯曲试样，尺寸按照焊接接头力学性能取样标准AWS D3.6进行，并对切割完的试样表面进行打磨去除油污。拉伸试验、弯曲试验在CSS-44100电子万能试验机上进行，采用力-位移控制方式，拉伸加载速度1mm/min，弯曲加载速度0.5mm/min。

图1 拉伸试样加工图

图2 冲击韧性试样加工图

冲击试样的截取位置如图2所示，V形坡口的位置靠近焊接接头连接界面处，并进行-20℃低温冲击试验。冲击试验在钟摆式冲击试验机JBD-300B/300J上进行。干式摩擦叠焊的力学性能测试结果见表4～表6所示。可以看出，DH36和Q345两种强度级别差距不大的塞棒材料得出的试样，在进行拉伸测试时均在母材位置断裂，弯曲试验结果均为合格。相应试验后试样的实物照片如图3～图5所示。

表4 拉伸性能测试结果

表5 弯曲性能测试结果

表6 0℃冲击韧性测试结果

图3 拉伸试验后试样的实物照片

图4 弯曲试验后试样的实物照片

从上述结果可以发现，DH36和Q345两种强度级别差不多的材料作为塞棒，得到的摩擦叠焊焊缝力学性能均能达到母材性能的80％，在拉伸强度、弯曲性能及冲击韧性等方面均差别不大。

图5 冲击试验后试样的实物照片

3 结 论

(1)干式摩擦叠焊的力学性能，在主轴转速7 000 r/min，焊接压力2 t，顶锻压力2.5 t，顶锻时间3.5s，预热时间3.5s，消耗量18mm的焊接参数情况下能达到母材的80％。

(2)在其他焊接参数相同的情况下，两种强度级别差不多的材料作为塞棒，得到的摩擦叠焊焊缝力学性能在拉伸强度、弯曲性能及冲击韧性等方面均差别不大。

[1]陈家庆,焦向东,邱宗义,等.摩擦叠焊--- 一种新型的固相连接技术[J].焊接技术,2007,36(01):1-7.

[2]周灿丰,焦向东,陈家庆,等.海洋工程水下连接新技术[J].北京石油化工学院学报,2006,14(03):20-25.

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[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]焦向东,周灿丰,陈家庆,等.摩擦叠焊方法和实验装置[P].中国:200710079325.3,2008.

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[11]陈忠海,陈家庆,焦向东,等.2024铝合金圆柱形组合的FHPP试验分析[J].焊接学报,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 军(1971—)，男，毕业于沈阳工业大学，焊接设备及工艺专业，现任海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接实验室经理，高级工程师，主要负责焊接工艺开发等相关工作。

2014-08-14

张 歌