徑向摩擦焊技術(shù)研究與開發(fā)進展

前言　　

　徑向摩擦焊是摩擦焊技術(shù)近年發(fā)展起來的重要研究方向，具有摩擦焊優(yōu)異的焊接性能、廣泛的工藝適應(yīng)性、高可靠性、高效率、高精度、環(huán)保等優(yōu)點，適用于環(huán)狀、不易旋轉(zhuǎn)的軸對稱零件，如長管道的對接、管管套接等接頭形式，在石油與天然氣輸運管道建設(shè)方面以及兵工行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景"。徑向摩擦焊具有一系列熔化焊所不具備的優(yōu)點，從新材料連接角度來看，適用于采用常規(guī)手段難以連接或連接成本較高的材料，焊縫成形質(zhì)量和特性具有較高的可重復(fù)性，無論被連接材料的類型和尺寸如何，都能獲得較高效率的連接。如對中152.4-304.8 mm管徑的石油管道連接成形的時間一般為12-25s，一天約能完成200段管線的連接。

同軸向摩擦焊和攪拌摩擦焊一樣，徑向摩擦焊是一個高溫高壓下的能量轉(zhuǎn)換和冶金過程，也是一個熱-力-材料耦合過程。不同的是，由于徑向環(huán)在焊接之前需要有一定的塑性變形以及散熱條件的復(fù)雜性。因此，徑向摩擦焊相比傳統(tǒng)的摩擦焊如連續(xù)驅(qū)動軸向摩擦焊、慣性摩擦焊等具有更為復(fù)雜的熱-力耦合過程和散熱條件等邊界條件，增加了焊接熱過程的復(fù)雜程度。與攪拌摩擦焊相比，徑向摩擦焊是焊接工件和輔助徑向環(huán)之間的相對摩擦、焊接工件和徑向環(huán)一起達到塑性狀態(tài)而在徑向壓力下形成一體的焊接接頭，而不像攪拌摩擦焊那樣通過第三體與焊接工件的摩擦

形成接頭，但第三體不達到塑性狀態(tài)，也不參與形成接頭。因此徑向摩擦焊具有更為復(fù)雜的焊接熱過程和熱-力耦合過程。

近些年來，隨著油氣資源勘探開發(fā)向深層次進軍，人們對鋼管及管道優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)的需求更加強烈。徑向摩擦焊以其特別適合長管件優(yōu)質(zhì)高效連接的優(yōu)勢重新引起了人們的重視。文中通過分析徑向摩擦焊技術(shù)特點、國內(nèi)外對徑向摩擦焊基礎(chǔ)理論研究以及應(yīng)用開發(fā)等方面的進展，總結(jié)了國內(nèi)外徑向摩擦焊技術(shù)研發(fā)的成果，為徑向摩擦焊技術(shù)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)提供參考和借鑒。

1　徑向摩擦焊簡介

徑向摩擦焊采用一個徑向環(huán)繞著2個固定的管材兩端高速旋轉(zhuǎn)，管端與徑向環(huán)接觸面摩擦并產(chǎn)熱，使摩擦界面達到熱塑性狀態(tài)，在一定徑向力下形成牢固接頭的方法，見圖1，管兩端對接在一起時，兩端坡面形成了一個V形坡口，這時把2管夾緊，以防止軸向移動和旋轉(zhuǎn)運動，在夾具夾持帶動下徑向環(huán)旋轉(zhuǎn)摩擦，在徑向壓力的作用下徑向環(huán)與管體形成摩擦焊接頭，實現(xiàn)2管體的連接。

徑向環(huán)的夾持力有徑向壓縮和徑向擴張2種方式（21，見圖2，徑向摩擦焊頂鍛力主要分為軸向加壓和徑向加壓2種方式。軸向加壓徑問摩擦焊是采用錐面環(huán)將軸向加壓轉(zhuǎn)換為徑向加壓的連續(xù)摩擦焊工藝，由于其引入中間旋轉(zhuǎn)加壓徑向環(huán)不僅改變了摩擦面的方向，焊件也由相對旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬潭訅?，實質(zhì)上是利用徑向加壓來解決軸向連接的摩擦焊工藝，非常適合于小口徑管道的焊接。

在使用壓縮環(huán)焊接時，在管接頭處放置一個支撐芯棒，以防止2管的焊接端被壓潰而不能有效焊接。同樣，使用擴張環(huán)時，在管的外部安裝了一個支撐環(huán)，以防2管的焊接端在徑向擴張力的作用過度膨脹而不能有效焊接。

徑向摩擦焊過程中徑向環(huán)上的徑向夾持力及其旋轉(zhuǎn)速度決定了摩擦熱的產(chǎn)生，在一定旋轉(zhuǎn)速度下，摩擦熱功率的大小及其隨摩擦時間的變化由外加徑向夾持ft力和摩擦系數(shù)的變化決定，其決定了徑向摩擦焊過程中熱的產(chǎn)生和傳遞。徑向摩擦焊過程中，徑向力和徑向環(huán)坡面與軸線夾角的大小會影響摩擦力的大小，進

而影響接頭質(zhì)量。如對中108 mm ×9.5 mm的鋼管，v形坡口的角度通常設(shè)定為100，而徑向環(huán)的坡面常為800，后者的斜度比前者的小有利于降低初始峰值扭矩，也可以促進坡口底部金屬向外流出，從而徹底擠出氧化皮。管材坡面的最佳角度的選定是由試驗確定的。此外，由于采用徑向加壓，焊接過程中徑向環(huán)的直徑逐漸變小。若用閉合環(huán)，徑向壓力必須包括徑向環(huán)的塑性變形力，隨著焊接材料的強度不斷提高，這個力是不可忽視的；若用開口環(huán)，接頭處的處理及接頭處的組織性能是必須考慮的問題。

2 徑向摩擦焊基礎(chǔ)研究

與軸向摩擦焊一樣，摩擦焊也是一個涉及高溫高壓、熱-力-材料復(fù)雜多相場耦合過程。因此，在建立精確數(shù)學模型方面存在較大的困難。而摩擦焊過程中熱-力-材料耦合是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，該問題的研究對揭示徑向摩擦焊機理、對優(yōu)化焊接工藝、控制焊接接頭組織性能、提高焊接質(zhì)量、改進焊接裝備均有重要的作用。

但由于焊接過程中的一些關(guān)鍵信息，特別是接頭內(nèi)部熱、冶金、塑性流變等物理信息，目前還缺乏有效地直接檢測措施。為了研究這些焊接過程中的關(guān)鍵物理信息，探索摩擦焊的物理本質(zhì)，數(shù)值模擬技術(shù)成為有效的研究手段。

2.1 軸向摩擦焊數(shù)值模擬簡介在早期的摩擦焊溫度場模擬中，通常根據(jù)扭矩確定摩擦熱功率，再假設(shè)摩擦界面上熱功率的分布，用有限差分法數(shù)值計算，得到摩擦界面上的熱輸人功率。

20世紀60-70年代，人們主要采用有限差分法對軸向摩擦焊溫度場進行計算，并根據(jù)摩擦扭矩求出熱功率13-5，到了80年代，有限元技術(shù)的成熟促進了數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使得問題的求解更加接近其物理本質(zhì)。Sluzalec等人“-7分別采用有限元法研究了軸向摩擦焊溫度場和應(yīng)力場，得到了與試驗結(jié)果吻合良好的計算結(jié)果，使摩擦焊過程中熱-力耦合的物理本質(zhì)得到了初步研究。

進入21世紀，隨著對摩擦焊產(chǎn)熱模型的改善、摩擦焊熱過程測量技術(shù)的發(fā)展，軸向摩擦焊基礎(chǔ)研究進人了更加深人的熱-力耦合作用階段，對不同摩擦階段的產(chǎn)熱、產(chǎn)熱效率進行了較為深人的研究"-1，有關(guān)研究結(jié)果已應(yīng)用于連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的產(chǎn)熱估計。特別是近期摩擦焊的數(shù)值模擬比較充分地考慮了熱-力耦合作用，彌補了早期對摩擦焊參量場的模擬主要集中

在溫度場而忽略熱-力耦合作用的不足。

但在摩擦焊數(shù)值模擬過程中，焊接區(qū)域高溫粘塑性金屬的熱力學數(shù)學建模一直是個難題，由于其具有高溫、大變形、高應(yīng)變速率等特征，給試驗研究帶來了很大的困難。到目前為止，關(guān)于軸向摩擦焊接頭彈塑性變形區(qū)力學模型主要提出了剛塑性體模型、粘性流體模型和超塑性體模型3種假設(shè)模型：

（1）剛塑性體模型[12 假設(shè)材料在屈服前處于剛體狀態(tài)，一旦屈服，即進入塑性流動狀態(tài)，流動應(yīng)力不隨應(yīng)變量而變化。

（2）粘性流體模型[3-1]在摩擦焊過程中，摩擦熱使金屬達到塑性狀態(tài)，將其視為粘度很大的粘性流體。粘性流動模型可以更好地描述鋼管連續(xù)驅(qū)動摩擦焊焊接階段材料的流場11

（3）超塑性體模型（16]在摩擦焊過程中，如果焊接區(qū)能夠達到超塑性狀態(tài)，可使工件摩擦面流動性增加，更易連接在一起。前蘇聯(lián)一些科學家在研究高速鋼-45鋼，Ni-Ni，Cu-Cu摩擦焊時，根據(jù)變形溫度、變形速率及焊接區(qū)域組織形態(tài)，將焊接區(qū)域金屬處理為超塑性體。

以上3種模型中除剛塑性體外都反映了焊接區(qū)金屬塑性流動阻力與應(yīng)變速率密切相關(guān)。事實上，摩擦焊能量轉(zhuǎn)換是一個極其復(fù)雜的過程，目前缺乏相關(guān)的理論和試驗支持。由于摩擦焊通常在高溫下進行，工件在發(fā)生變形的同時伴隨有溫度的變化，摩擦焊過程的數(shù)值模擬必須考慮溫度的影響，即需要進行溫度場與變形場的耦合計算，這已成為摩擦焊領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的重要發(fā)展方向。

2.2 徑向摩擦焊的數(shù)值模擬

目前對于摩擦焊產(chǎn)熱及熱源模型的分析和建立，主要是基于軸向摩擦焊和攪拌摩擦焊進行的，有關(guān)徑向摩擦焊熱源模型分析的報道較少，但有關(guān)軸向摩擦焊的基礎(chǔ)研究為徑向摩擦焊的基礎(chǔ)研究提供了很好的借鑒，

2002年鄧愛明["）對純銅與合金鋼徑向摩擦焊的溫度場和應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬。在模擬中假設(shè)材料的屈服服從Von-raises屈服準則；塑性區(qū)內(nèi)的行為符合各向同性硬化的流變法則；彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變，與溫度應(yīng)變是可分的；材料的力學性能隨溫度變化；應(yīng)力、應(yīng)變在微小的時間內(nèi)增量線性變化：熱源集中于基準面上；不考慮相變影響，材料無論在任何溫度下均是固體。

胡建181通過3維有限元分析建立了徑向摩擦焊中

徑向環(huán)的簡化夾持模型。采用了從試驗測得的速度曲線反推得到的平均摩擦系數(shù)。此文獻創(chuàng)新性的施加了擋塊，能減少應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布不均勻的狀況。有擋塊作用比無擋塊作用時更容易實現(xiàn)彈體的徑向摩擦焊，焊接質(zhì)量更高。也就是說，徑向摩擦焊施加擋塊頂力是很有必要的。計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致，從試驗角度證明計算結(jié)果是正確的，實現(xiàn)了定性匹配。

2010年，王高見等人[1]對徑向摩擦焊熱輸人數(shù)值模型做了一定研究。在模擬中忽略組織變化時發(fā)生的相變潛熱；忽略焊接過程中媒件材料因變形而產(chǎn)生的熱量；假定沒有熱損失，焊件界面摩擦力所做的功全部轉(zhuǎn)化為生成熱。基于這3個假設(shè)，對徑向摩擦焊夾持模型進行了3維有限元分析，無擋板作用時，應(yīng)力分布較集中，最高應(yīng)力出現(xiàn)在過渡套夾持處；有擋板作用時，應(yīng)力分布均勻，最高應(yīng)力并未在過渡套夾持處。因此，隨著過渡套上夾持力的增加，無擋板作用時，應(yīng)力集中加劇，限制了過渡套的夾持作用。

徑向摩擦焊的基礎(chǔ)研究正處于起步探索階段，缺乏對徑向摩擦焊熱功率與材料狀態(tài)、徑向夾持力和旋轉(zhuǎn)速度的本構(gòu)關(guān)系以及徑向摩擦焊過程中接頭應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律及其溫度場的耦合機制的深入研究，這也是深入分析徑向摩擦焊物理機制、調(diào)控焊接質(zhì)量、開發(fā)徑向摩擦焊裝備的基礎(chǔ)。

3徑向摩擦焊的應(yīng)用

國外徑向摩擦焊技術(shù)開始于20世紀70年代中期。海底輸運管道鋪設(shè)中，由于海底殘酷的工作環(huán)境，對管道材料及連接技術(shù)要求極高，傳統(tǒng)的工藝很難勝任，有人開始引入優(yōu)異的徑向摩擦焊技術(shù)。到了80年代，S.B.Dunkerton等人[2）在軸向連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機上實現(xiàn)了管道的徑向壓力焊。在上世紀90年代，石油行業(yè)的低迷降低了對徑向摩擦焊技術(shù)的需求，從而使其研發(fā)陷于停滯。進入21世紀后，隨著石油行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是大規(guī)模油氣輸運管道的建設(shè)，如國內(nèi)西氣東輸二期工程、中俄油氣管道工程以及海洋油氣資源的輸運等都急需管道高效連接技術(shù)，徑向摩擦焊因其獨特的優(yōu)勢而又被人們極大關(guān)注。隨著工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，德國采用軸向加壓徑向摩擦焊已完成摩托車離合器盤組合件裝配，并用于實際生產(chǎn)。

徑向摩擦焊另外一個重要應(yīng)用是兵工行業(yè)中彈帶焊接。美國陸軍于1986年已經(jīng)將其列為“制造方法和技術(shù)”的研究重點，美國的MTT公司于20世紀90年代初焊出模擬樣品。美國陸軍現(xiàn)已披露的有155 mm炮

彈彈帶徑向摩擦焊工藝研究。此外，英國TWI也開展了類似的研究。中國也將該工藝的研究列入了“八五”

規(guī)劃，并于1992年起開始了研究工作，已取得突破性進展["）。中國兵器工業(yè)第五九研究所已研制出"CT-

25特種摩擦焊機"，是國內(nèi)第一臺能完成徑向、軸向的慣性、連續(xù)驅(qū)動摩擦焊等多種工藝及小批量生產(chǎn)的特種摩擦焊機，實現(xiàn)了薄壁紫銅彈帶與鋼彈體的摩擦焊接，更新改造了傳統(tǒng)彈帶的裝配和加工工藝。國內(nèi)用于軸對稱件的摩擦焊研究基本局限于軸向摩擦焊，國產(chǎn)商用化摩擦焊機也只有軸向摩擦焊機。迄今為止，關(guān)于徑向摩擦焊的公開報道，研究基本處于工藝探索階段。國外對鈦合金、鋼鐵等材料的徑向摩擦焊工藝進行了初步的研究。

Torster等人[2）對徑向摩擦焊焊接的Ti-6Al-4V

-0.1 Ru管道（中170 mm x9 mm）材料的力學性能做了研究，用光學顯微鏡觀察了焊接區(qū)的微觀組織，并進行了常規(guī)拉伸測試和微型平面拉伸測試。結(jié)果表明，焊接區(qū)的拉伸性能有所提高，并且保持著較好的塑性，包括熱影響區(qū)在內(nèi)的焊接區(qū)域發(fā)生了較好的組織轉(zhuǎn)變。分析認為拉伸性能的提高與組織轉(zhuǎn)變有密切的關(guān)系，焊縫及熱影響區(qū)保持著較好的塑性與動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的B相有關(guān)。

Kwietniewski等人[23]對Ti-6Al-4V-0.1 Ru合金進行了徑向摩擦焊的熱模擬試驗。試驗?zāi)M實際徑向摩擦焊熱循環(huán)過程，并加以不同的頂鍛壓力，獲得3種塑性形變量的試件，以研究塑性變形量對摩擦環(huán)耗材區(qū)斷裂韌性的影響。由于發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，試驗結(jié)果顯示摩擦環(huán)耗材區(qū)（SCRZ）中B相的尺寸隨塑性變形程度的增加而逐

漸減小，見表1。試驗結(jié)果表明晶粒尺寸對斷裂韌性和材料的硬度沒有影響，亦即與塑性變形量沒有關(guān)系。以上研究為Ti-6Al-4V-0.1Ru合金材料的徑向摩擦焊過程中的徑向加持力大小和變形量的選擇，具有很好的參考價值。

旋轉(zhuǎn)速度及其尺寸對接頭組織性能的影響，并對工藝參數(shù)優(yōu)化。當P355NL1鋼為徑向環(huán)時，徑向環(huán)旋轉(zhuǎn)速度越大，摩擦時間越長，形成的接頭越寬，焊后鋼環(huán)的變形量越大。盡管徑向環(huán)拉伸強度低于鋼管母材的拉伸強度，然而接頭處材料的拉伸強度等同，主要原因是焊接熱循環(huán)使熱影響區(qū)的硬度提高。但由于接頭的微觀組織中出現(xiàn)大量粗大的貝氏體組織，隨著徑向環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭的沖擊韌性逐漸下降。當用P460NL1鋼作徑向環(huán)時，研究徑向環(huán)厚度對接頭性能的影響，結(jié)果表明，徑向環(huán)厚度對接頭的抗拉強度沒有任何影響；但厚度越大，接頭及熱影響區(qū)的貝氏體含量越少，接頭沖擊韌性越大。

徑向摩擦焊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用一方面需要成熟的工藝，另一方需要可靠的焊接裝備。徑向摩擦焊裝備的研發(fā)是徑向摩擦焊技術(shù)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的物質(zhì)條件，特別是大噸位的徑向摩擦焊機是促進徑向摩擦焊在油氣儲運行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是未來徑向摩擦焊裝備研發(fā)的發(fā)展方向。

結(jié)語

對于不易旋轉(zhuǎn)的長管道以及管一管套接等零部件的連接，徑向摩擦焊具有無可比擬的優(yōu)勢，但徑向摩擦焊在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)方面均遠遠落后于軸向摩擦焊。過去軸向摩擦焊的基礎(chǔ)研究對徑向摩擦焊的基礎(chǔ)研究提供了很好的基礎(chǔ)和借鑒。通過數(shù)值模擬技術(shù)對徑向摩擦焊物理本質(zhì)深入研究，將會促進徑向摩擦焊工藝及裝備的研發(fā)。徑向摩擦焊裝備的研發(fā)是徑向摩擦焊技術(shù)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的物質(zhì)條件，特別是大噸位的徑向摩擦焊機是促進徑向摩擦焊在油氣儲運行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是未來徑向摩擦焊裝備研發(fā)的發(fā)展方向

來源于網(wǎng)絡(luò)文摘，版權(quán)歸屬原作者