随着我国经济的高速发展,能源需求与日俱增,石油和天然气资源的开采和运输成为关注的核心问题。开采油气的连续油管以及运输用的陆上和海洋油气管道用量十分巨大,建造这些油气管道时的焊接环节显得尤为重要。目前,油气管道广泛采用熔焊技术连接,很难避免裂纹、气孔等凝固缺陷,接头晶粒粗化也十分严重,接头力学性能和耐蚀性能均严重降低,服役中的管道经常从焊缝处失效。此外,油气管道建设中复杂的熔焊工艺也极大延长了工期,增加了成本。因此,油气管连接中急需一种高效、稳定的焊接技术。搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术,接头质量优异,是焊接油气管道的理想技术。为此,本文对专门用于油气管道对接的环形焊缝搅拌摩擦焊机进行了开发,并对陆上、海洋油气管道用钢以及连续油管用钢展开搅拌摩擦焊研究,对接头的微观组织演变过程及力学性能进行了系统的研究。本论文的主要工作及成果如下:（1）为将搅拌摩擦焊接技术应用到油气管道的实际焊接工程中,作者所在课题组成功开发出了专门用于油气管道焊接的环形焊缝搅拌摩擦焊机,利用该焊机可以快速、高质量地完成油气管道的连接。搅拌摩擦焊接过程无需预热和缓冷,焊接效率很高。在合理的焊接参数范围下,搅拌摩擦焊接头无焊接缺陷,接头质量稳定。（2）在高、中、低热输入条件下完成了陆上油气管道用钢-X100管线钢的搅拌摩擦焊接。研究了焊接接头搅拌区中前进侧与后退侧的原奥氏体晶粒、贝氏体相变、织构组成以及冲击韧性的变化规律。研究表明,搅拌摩擦焊过程中的强塑形变形对接头的相变有重要影响。在低热输入焊接条件下,焊接接头搅拌区中的微观组织主要是板条贝氏体,焊接接头的冲击韧性几乎与母材相同。在高、中热输入量条件下,搅拌区中生成了大量的粒状贝氏体,冲击韧性急剧恶化。（3）研究发现搅拌摩擦焊接接头存在方向性明显的纤维组织,搅拌区不同位置纤维状组织方向与微观组织存在很大差异。海洋油气管道用钢-含Mn双相不锈钢的搅拌摩擦焊接头搅拌区中前进侧、中间位置与后退侧的纤维状组织方向分别与搅拌摩擦焊接方向呈0°、90°和45°。搅拌区前进侧的再结晶比例较高,晶粒细化效果明显。在拉伸过程中,前进侧组织未变形,变形与形变诱发马氏体相变现象主要集中在搅拌区中间位置与后退侧,裂纹容易在后退侧的铁素体与转变的马氏体界面处形成,接头的抗拉强度与母材接近。（4）基于搅拌摩擦焊接低热输入量的特点,在较宽的参数范围内完成了连续油管用钢-含Mn奥氏体不锈钢的搅拌摩擦焊接。研究表明,搅拌区中的不均匀塑形变形与变形温度对接头不同位置的再结晶规律有重要影响。搅拌区前进侧同时发生了不连续动态再结晶与连续动态再结晶,而搅拌区后退侧以连续动态再结晶为主。在低转速焊接参数下,接头未产生析出相和δ-铁素体。随焊接转速提高,搅拌区中产生δ-铁素体,δ-铁素体促进了再结晶的发生,同时阻止了晶粒长大。由于母材中Mo含量极低,因而避免了有害σ相的生成。在合适的焊接参数下,接头抗拉强度几乎与母材相同。（5）为了降低钢铁材料搅拌摩焊接过程中搅拌头的磨损,本论文采用熔化极气体保护焊预热工件,简化了辅热搅拌摩擦焊接工艺流程,并完成了 X100管线钢的焊接。由于在搅拌摩擦焊接过程中接头材料己被充分预热,接头材料充分软化,搅拌摩擦焊接过程中搅拌头承受的摩擦力大为降低,从而极大地减轻了搅拌头的磨损。随着焊枪与搅拌工具之间距离的增加,预热效果减弱,接头前进侧的组织由细小的粒状贝氏体向粗大的板条贝氏体转变。