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等静压摩擦锥塞焊(Friction Taper-Plug Welding,FTPW)是英国焊接研究所基于传统旋转摩擦焊开发的一种新型固相连接技术,在海洋平台和海底管道等水下钢结构物修复方面具有独特优势和应用前景。目前关于水下FTPW焊接工艺研究较少,对于接头成形机制、流动性以及不同填充塞棒焊接性方面更是少有报道。本文针对X65管线钢母材,采用了四种塞棒材料进行水下FTPW焊接工艺试验,对水下接头成形过程和连接机制、焊接过程中材料流动行为以及不同塞棒材料和工艺参数下接头缺陷形成、组织演变及性能进行研究。在文中试验条件和工艺参数下,主要结论如下:使用X65和Q345C塞棒可以在转速7000rpm、塞棒消耗量14mm、焊接压力分别为30~50kN和20~40kN范围内获得无缺陷接头。Q235C塞棒由于摩擦产热不充分导致所有接头根部存在未焊合缺陷。所有316L塞棒接头结合界面处由于残余拉应力作用而出现断续开裂。焊缝中心在焊后出现沿奥氏体晶界呈网状分布的δ铁素体,微裂纹容易在相界面处萌生并可能沿着相界面扩展进而形成焊缝宏观裂纹。X65塞棒焊接时,塞孔底部和侧壁的冶金连接容易实现,但底部圆角过渡区易于出现未焊合缺陷。增加塞棒消耗量可以延长焊接时间、增加能量输入、减慢塞孔底部热塑性材料的冷却速度,这有利于实现塞棒和母材间的扩散冶金连接。X65塞棒低压力焊接时,热主导阶段(Heating dominated phase,HDP)和热-剪切过渡阶段(Heat-shear transition phase,HSTP)能量输入不充分,材料流动性差是圆角过渡区出现不完全填充缺陷的原因。随着焊接压力增加,HDP和HSTP阶段能量输入增加、摩擦热源在焊接过程中更集中于塞孔底部,材料流动性得到改善,有助于避免不完全填充缺陷的产生,并优化了圆角过渡区结合质量。X65塞棒接头主要发生上贝氏体组织转变,接头硬度普遍在300HV10以下。Q345C塞棒接头热影响区主要形成上贝氏体组织,硬度值在300HV10以下,但焊缝区产生了下贝氏体和马氏体淬硬组织,硬度普遍在300~400HV10。Q235C塞棒接头热影响区同样发生上贝氏体转变,最高硬度230HV10,焊缝区产生粗大的魏氏组织,最高硬度达240HV10。316L塞棒接头焊缝区在焊后仍然以奥氏体为主,硬度值维持在160HV10且受焊接压力影响较小。X65和Q345C塞棒接头拉伸试验时几乎全部断裂于远离焊缝和热影响区的母材,焊缝中心0℃夏比冲击吸收功高于AWS D3.6水下焊接标准对B级焊缝的要求,所用参数下均值在40J以上,高压力下X65塞棒接头甚至达到298J。