摩擦叠焊研究 - 天津大学研究生e-Learning平台.DOC

水下摩擦叠焊研究 摘要：摩擦叠焊（Friction Stitch Welding-FSW）是摩擦焊接技术中的一种，是一种新型的固相连接技术。其焊接质量受环境影响较小，在深水钢结构修复领域迅速发展。本文介绍了摩擦叠焊的优点，焊接过程和影响焊接质量的主要工艺参数。 关键词：摩擦叠焊 焊接过程 工艺参数 0 前言 自二十一世纪以来，随着深海资源越来越被各国重视，深水和超深水海域的油气资源正成为美国、英国、挪威、巴西等国竞相开发的热点。近年来，世界诸强对海洋的开发、争夺和控制的特点已初现端倪，其中的重头戏就是向深海进军。诸多国内国际因素导致我国油气资源有近海向远海、浅海向深海倾斜。在渤海、南海海域海洋尤其勘探取得重大发现后，深海石油开发在中国经济发展中地位影响迅速增加。 海洋油气资源开发需要以先进技术为基础。中国水下勘探技术已经取得重大突破，而先进的水下焊接、切割、维修技术也是海洋工程建设、维护的重要技术保障之一。一方面我国正在开发大量深海油田，铺设大量输油管道，另一方面部分平台、管道在一时间也接近设计寿命。水下焊接技术亟待提高。 目前水下焊接的方法有湿式焊接、半干湿焊接及高压干式焊接。湿式焊接、半干湿焊接因为焊接质量差，不能应用于重要结构的修复工作，而且只适合40m以内水深；而高压干式焊接的干式舱建造费用昂贵，而且随着水深增加，舱内压力将过高导致焊接电弧稳定性下降。 摩擦叠焊技术[1,5]（Friction Stitch Welding， FSW）——一种管道固相连接技术，属于压 焊的分支。利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。摩擦叠焊的特点在于整个焊接过程中，待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点，即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。该技术具有以下优点： 因高温引发的焊接工件变形较小。 接点力学性能好，（疲劳、拉伸、弯曲性能等）不会出现组织缺陷。 焊接过程无烟尘，辐射，弧光等有害物质，环保型工艺。 可以连接普通电弧熔焊方法不能处理或很难处理的如不锈钢等钛合金。 全方位焊接，适应水下作业的环境，便于自动化。 1 国内外发展现状 1992年下半年，英国TWI的W M Thomas，E D Nicholas 等人申请了第一个关于摩擦叠焊（FSW）技术的专利，并将其基本单元成型过程描述为FHPP（Friction plug extrusion technique）即摩擦柱塞挤出技术。随后TWI发起了一个工业集团资助项目，对摩擦叠焊的单元成型过程进行了细致的研究，并申请颁发了使用许可证，以对该技术进行进一步的开发和工业化应用。 1996年，德国GKSS 公司，英国NHC等在内的七家公司联合申请了ROBHAZ项 目，旨在研发基于机器人操作和摩擦叠焊焊头的无人操作水下焊接系统。总预算为370万欧元，至2000年5月。已经可以实现整套系统全自动化，并且实现遥控操作。 我国在2006年9月8日，结合水下修复环境要求，成功开发出了中国首台水下摩擦叠焊设备（型号UFSW-2005）该设备的研制成功是我国水下焊接研究领域的一项重大突破，为海底石油管道快速修复的实施奠定了坚实的基础。 2 焊接过程及相关参数 2.1 摩擦叠焊过程[2,3] 摩擦叠焊的基础或基本组成单元是FHPP(Friction hydro pillar processing)焊，可以称其为摩擦液体填注过程焊或摩擦柱塞挤出技术(Friction plug extrusion technique)。如图1所示，在摩擦叠焊过程中可以使用两种不同的实施方式，一种是应用圆锥体状的焊孔和金属棒，一种是使用圆柱体状的焊孔和金属棒。通过在焊接母材上钻一个焊孔( 典型直径在9-17mm之间)，然后在孔中插入一个旋转金属棒，同时在其上施加一个轴向力。当旋转金属棒与焊孔底部接触时开始摩擦焊接过程，所产生的摩擦热使得金属棒熔化而发生塑性流动；随着塑性化金属材料不断填充焊孔以及焊缝表面杂质的不断排出，摩擦接触表面迅速从焊孔底部上移，同时塑性化金属和焊孔表面之间都能达到完全结合，图2所示为焊接过程中的材料沉积示意图。 图1 摩擦叠焊的两种不同实施方式 图2 材料沉积示意图 图3 焊接过程示意图 一系列相互重叠或搭接的FHPP焊便构成了摩擦叠焊(Friction Stitch Welding ，FSW)。如图3所示，通过一系列焊孔的搭接或重叠便得到了一条连续焊缝。 2.2 影响焊接质量的主要参数[4] 2.2.1 实验过程 对FSW综合性能有重要影响的参数为向下的压力，转速和下压深度。表1给出了27个焊接实验测试（被标记为P1到P27）中所用的三个实验参数的具体数值，三个焊接工艺参数分别为向下