摩擦锥塞焊(FTPW，friction taper plug welding)是一种固相连接技术，由英国焊接研究所(TWI)于1992年发明并申请了专利[1]. 其基本原理是采用高速旋转的消耗性圆锥状塞棒材料与预制塞孔保持同轴，塞棒在给定轴向压力作用下不断向下移动并与塞孔底部产生剧烈摩擦剪切作用. 在摩擦热-力耦合共同作用下，消耗性塞棒的摩擦界面处于热塑性状态，同时不断地向四周转移并挤压填充塞棒与塞孔内壁之间的径向间隙，最终与塞孔母材实现紧密冶金结合.
由于其焊接过程不受水深的影响，可以获得综合力学性能良好的接头，在海洋工程钢结构件的修复方面具有潜在的应用价值[2]. 目前国内外对水下FTPW工艺过程进行了不少研究，研究内容主要包括接头几何尺寸设计、塞棒材料、工艺规范、焊缝成形、组织和力学性能等[3-7]，但对异种材料水下FTPW焊接工艺参数与组织性能的相互影响仍需要深入探讨. 文中对X52管线钢采用Q345塞棒异种材料进行了水下FTPW工艺试验研究，深入讨论轴向压力对塞焊接头组织和力学性能的影响.
试验母材采用X52管线钢，试样尺寸为200 mm × 50 mm × 25 mm；塞棒采用 Q345 结构钢材料，塞孔和塞棒的具体几何尺寸见图1a，两种材料的主要化学成分如表1所示.
3.系统内普法与社会普法不平衡。各级各部门在落实责任制过程中，存在系统内普法与社会普法不能并重的情况。许多单位积极开展社会普法，紧密结合本部门法律法规颁布实施纪念日、宣传日、纪念周等重要普法节点，组织开展各类有声有色的普法活动，但却忽视对系统内执法人员和工作人员的普法，执法工作人员法律素养不够高，法治意识不够强，开展“谁执法谁普法”的广度与深度不够，实效性欠缺。
图1 焊接接头尺寸及冲击韧性试样(mm)
Fig.1 Geometrical sizes of welded joint and impact toughness specimens
水下FTPW工艺试验在天津大学自主研制的FTPW设备上完成. 实际焊接过程如图2所示，塞孔试样及塞焊焊缝区完全浸没在水槽中以模拟湿法焊接环境，具体焊接工艺参数如表2所示.
7.D 提示:0.98gCu(OH)2的物质的量为0.01 mol,若全部生成CuO,则质量为0.01mol×80g·mol-1=0.80g,所以a点对应的物质是CuO;若全部生成Cu2O,则质量为0.005mol×144g·mol-1=0.72g,所以b点对应的物质是Cu2O,A项错误。根据化学方程式可知,生成水的物质的量为0.01mol,质量为0.01mol×18g·mol-1=0.18g,B项错误。CuO和其中所含Cu元素的质量关系(以CuO的质量为10g计算)为:
表1 母材和塞棒的主要化学成分(质量分数，%)
Table1 Chemical composition of base material and rod
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截取焊缝区截面进行研磨和机械抛光之后，用4%硝酸酒精试剂腐蚀，并在OLYMPUS-GX51F光学显微镜下观察焊缝区成形及特定区域显微组织特征. 采用图像数显显微硬度计HVS—1000ZCCD分别测量距离试样上表面2，7和12 mm处的焊缝区截面的硬度分布，具体测试位置如图1b所示，载荷为9.8 N，加载时间为15 s.
图2 X52管线钢水下FTPW焊接过程
Fig.2 Underwater FTPW process for X52 pipeline steel
表2 焊接工艺参数
Table2 Welding parameters
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根据GB/T 229—2007《金属夏比缺口冲击试验方法》进行0 ℃低温冲击试验，冲击试样的V形缺口开在焊缝中心处，具体取样位置及试样几何尺寸如图1c所示，并采用SU1510场发射扫描电子显微镜对冲击断口形貌进行观察.
焊接接头的宏观形貌如图3所示， 可以将宏观接头划分为以下几个区域：剪切区(SZ，shear zone)、最终摩擦界面 (FFI，final frictional interface)、顶锻区 (FZ，forged zone)、结合线 (BL，bonding line)、热影响区(HAZ，heat affected zone)和母材区(BM，base material).
SZ是由于高速旋转的塞棒底部在轴向压力的作用下与其接触的金属进行摩擦加热并产生剪切变形，当达到热塑性状态后被挤压填充塞棒与塞孔底部周围间隙，形成过渡沉积剪切区. 同时塞棒形成底部飞边，受到塞孔侧壁的限制而产生侧向挤压力，并与塞孔侧壁挤压摩擦加热. 由于塞孔与塞棒摩擦加热的不对称性，摩擦热源将沿塞棒轴向不断向上移动，塞棒摩擦端部将受到挤压-摩擦-沉积的不断循环作用，直至填充整个塞孔的焊接阶段完成.
在顶锻阶段，通过施加顶锻压力会使最后一层摩擦界面与剪切区紧密结合，将轮廓近似月牙状的最后一层摩擦界面定义为FFI，而被挤压出去的金属塑性层形成飞边. 将原始塞棒没有直接经历摩擦加热变形过程，但受到SZ的热传导和力的作用区域定义为FZ，类似锻造加工过程. BL分布与塞孔的轮廓相似，而且比较明显. 由于异种材料焊接特征，又可以将热影响区分为母材热影响区(BM-HAZ，base material-heat affected zone)和塞棒热影响区(TPHAZ，taper plug-heat affected zone).
试验表明：塞孔底部初始加热阶段是最易产生缺陷的区域. 当轴向压力为30 kN时，其宏观接头的左侧底部圆角过渡处产生未结合缺陷，如图4所示. 这是由于在较低轴向压力作用下，焊接初始阶段所产生的径向挤压力不足，导致摩擦加热不剧烈，造成材料流动性差填充不充分所产生的. 随着轴向压力增加到35 kN以上，缺陷减少并获得成形良好接头. 此外，FFI距工件上表面的距离(图3b中L)和底部圆角过渡处的HAZ宽度(图3b中W)也随着轴向压力的增大而不断增加，如图5所示.
图3 焊接接头的宏观形貌
Fig.3 Macro observation of welded joints
图4 底部圆角过渡处未结合缺陷
Fig.4 Lack of bonding at the corner near the bottom hole
在给定7 000 r/min焊接转速下，轴向压力越大，塞棒底部更容易处于塑性变形状态；此外，轴向压力越大，塑性层也更容易向四周流动. 因此，随着轴向压力的增大，FFI越接近塞孔底部. 而摩擦界面相当于一个热源，越接近塞孔底部，对底部圆角过渡处的填充材料起到后热作用越明显，可以改善其流动性，减少缺陷的产生. 从底部圆角过渡处HAZ的宽度不断增加也可以说明受热情况得到改善.
图5 焊接接头宏观形貌特征变化
Fig.5 Changes of the weld joint macrograph features
图6 是图3b接头不同区域的金相组织形貌.图6a是塞棒原始组织，由多边形铁素体和条带状珠光体构成. 与塞棒原始组织相比较，可以发现远离FZ的TP-HAZ图6b中的铁素体基本未发生转变，而珠光体的形态发生了变化. 靠近FZ的TP-HAZ图6c是由细小的马氏体和一部分未转变的铁素体构成，这是由于该区域的温度远大于Ac1，珠光体和部分铁素体先发生了奥氏体转变，但同时又受到水介质的急冷作用而转变成细小的马氏体组织. 图6d是FZ组织形貌，主要由大量细小的板条马氏体和少量板条贝氏体组成. 由于该区域介于TP-HAZ和SZ之间，所能达到的温度会比TP-HAZ更高，能够实现完全奥氏体化. 另外，FZ还会受到SZ的热传导作用，会使该区域的冷却速率较TP-HAZ有所下降，所以会出现少量的板条贝氏体组织.
SZ的金相组织比较复杂，主要由图6e中粗大的马氏体、上贝氏体、魏氏铁素体以及图6f中富有的细长的铁素体组成. 观察图3中不同接头的宏观形貌，发现在SZ两侧BL附近形成富有铁素体白色区域. 这是由于剧烈摩擦加热必然在局部产生水蒸气H2O，这将促使珠光体中Fe3C与H2O发生化学反应Fe3C + H2O(g)
图6 焊接接头的微观组织形貌
Fig.6 Microstructure of welded joint
图6 g所示的BL由一条宽约70 μm的细小铁素体带构成，这是由于侧向摩擦挤压力低和局部水介质中脱碳所造成的. 母材原始组织是由细小的多边形铁素体和条带状珠光体构成. 临近BL的BMHAZ主要由粗大的板条马氏体和板条状贝氏体组成，而偏离BL的BM-HAZ主要由图6h细小的马氏体和未转变的铁素体以及图6i只有珠光体形态发生变化组成. BM-HAZ受热比TP-HAZ严重，主要是由于摩擦界面会与侧壁直接发生摩擦加热导致的.
④应将统筹城乡水利基础设施和公共服务作为城乡经济社会发展一体化的重要环节。统筹考虑城乡水利基础设施建设和水利公共服务，同步纳入政府公共财政预算支出项目；建立城乡经济社会一体化发展制度，并将加快农村饮水安全建设和实施农村水环境治理作为加快发展农村公共事业的重要内容。
图7是沿塞焊缝截面不同位置的硬度分布.图7a是2 mm处的硬度分布，可以看出所有接头从BM到BM-HAZ的硬度值都由190 HV1上升到430 HV1；当从BM-HAZ靠近焊缝中心，对30 kN和35 kN轴向压力，测量路径基本在FZ内，其硬度在400 HV1 ～ 450 HV1之间波动，说明FZ硬度比较均匀但明显硬化；对40和45 kN轴向压力，由于FZ向下移动，此时测量路径跨越两侧FZ、塞棒中心热影响区与塞棒基体的过渡区，出现硬度分布不均匀，塞焊中心的硬度与塞棒基体160 HV1相当，表示该区域进入塞棒过渡区，硬度不断下降到220 HV1.
图7b是7 mm处的硬度变化趋势. 可以看出，从BM到BM-HAZ的硬度值也是不断上升，焊缝处均发生明显硬化现象，硬度分布波动范围增加，表示组织不均匀性增加. 对30 kN的接头是由于其SZ的板条状马氏体和贝氏体造成硬化的，而其余接头则是由于FZ低温转变导致的.
图7c是12 mm处的硬度值，测量路径基本在FZ与SZ的过渡区域. 可以看出：硬度分布波动范围明显增加，组织明显不均匀. 观察图3中30 kN接头，发现在12 mm处的位置基本上都是白色富铁素体区，所以其硬度值明显比较低. 而35，40和45 kN的硬度分布主要是由于FZ与SZ的过渡区域的不均匀淬硬组织造成的. 在靠近BL附近，有些硬度值发生下降，这是由于BL的铁素体带引起的. 由此可见， FZ组织均匀硬度分布波动小，SZ随着接近塞焊缝底部，组织不均匀性明显增加，其硬度分布波动也显著增大.
图7 焊接接头硬度分布
Fig.7 Hardness distribution of welded joints
图8 是焊缝中心在0 ℃下的冲击试验结果.可以看出，冲击吸收能量随着轴向压力的增大而增大，最低为27 J，最高为62 J，但均远低于BM的冲击吸收能量267 J.因为在较大轴向压力作用下，FFI中心处距离上表面也越来越大，就意味着组织均匀与力学性能相对较好的FZ也会不断的扩大，组织明显不均匀的SZ将不断减少，从而使得焊缝中心处的冲击吸收能量不断提高.
图8 焊接接头冲击吸收能量
Fig.8 Impact absorbed energy of welded joints
图9 焊接接头冲击断口宏观形貌
Fig.9 Macroscopic morphology of impact fracture of welded joint
从图9可以看到冲击断口宏观形貌主要由颗粒状结晶面和暗灰色纤维状区域组成，随着轴向压力的增大，颗粒状结晶面区不断缩小，而暗灰色纤维状区不断扩大，表明断裂方式不断转换. 对35 kN断口扫描分析可知，颗粒状结晶面区域I呈现大量的河流花样和清晰的解理台阶，表现为解理断裂特征，如图10a所示；暗灰色区域II布满大小不一的韧窝与撕裂棱，表现出韧性断裂的特征，如图10b所示；而中间的过渡区域III可观察到河流花样与韧窝的混合，具有两者综合断裂特征，如图10c所示.
另一方面，引入“中国梦”宣传教育需要遵循显性教育和隐性教育相结合的原则〔7〕。合理应用知识讲座、政治报告等活动，在大学校园内部为学生展开以“中国梦”为主题的文化活动，让大学生在参与文化活动中可以提高建设社会主义的信心，从而为现代化社会建设贡献出力量，推动城市快速发展。
《几何》可以培养学生逻辑思维能力和逻辑推理能力，是大脑的“智力操”。它涉及的内容大多是现实生活素材，能够在一定程度上开阔学生视野，启迪学生思维，但在实际应用中抽象思维多，逻辑思维严密，推理严谨，理解起来有一定的难度。对于初学几何的学生来说，如果教师教学方法不当，学生就会觉得几何高不可攀，产生厌学情绪，影响以后的学习。正确引导学生解决几何“入门”难的问题，是学好平面几何的关键，也是数学教学的重要任务。那么，在教学中，教师如何引导学生越过这道“门槛”呢？下面，笔者根据教学实践谈一下平面几何“入门”教学中的做法和体会。
冲击断口形貌观察进一步表明，FZ组织均匀具有较好性能，而SZ组织明显不均匀其塑性和韧性也很低；增加轴向压力将扩大FZ在焊缝区所占比例，降低不均匀组织SZ的占比，从而会提高塞焊焊缝的冲击韧性.
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图10 焊接接头冲击断口微观形貌
Fig.10 Microstructure of impact fracture of weld joint
(1) 水下FTPW对给定焊接转速为7 000 r/min时，当轴向压力超过35 kN以上，水下FTPW接头可以有效消除底部圆角过渡处未结合缺陷，获得成形良好的塞焊接头.
(2) 水下FTPW接头焊缝区组织十分不均匀，主要由大小不一的板条状马氏体和贝氏体组成.SZ组织复杂不均匀并产生少量的富铁素体区和魏氏铁素体组织，在BL附近产生细小的铁素体带组织特征.
(3) 水下FTPW接头焊缝区产生明显淬硬现象且分布不均匀. 塞焊缝区硬度可达到450 HV1，明显超过塞棒基体160 HV1；越接近塞焊缝底部其硬度分布越不均匀.
(4) 随着轴向压力的增加，水下FTPW接头中FZ会不断扩大，其焊缝中心处的0 ℃冲击吸收能量也会不断提高，最高可以达到62 J，但是仍远低于BM的267 J.
（1）基层锯缝时间确定。采用预锯缝防治水泥稳定碎石基层收缩裂缝时，应确定合理的锯缝时机，以使基层有规则地断开以释放基层内的温缩应力。锯缝时间过早会因基层强度不够导致缝槽出现不规则毛边；锯缝太晚基层裂缝已产生，预锯缝则失去防治效果。锯缝时间确定方法为：在基层碾压完成，水泥终凝结束后开始钻芯取样测取间接抗拉强度，并且每隔1.5h钻芯一次，绘制温度应力—时间关系曲线，两者第一次相交的时间即为锯缝极限时间。
参考文献：
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