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徑向摩擦焊技術研究與開發進展

發表時間:2018-12-16 13:14作者:山東大學現代焊接技術研究所(濟南市250061)梁永亮秦國梁,機械科學研究院哈爾濱焊接研究所(150

前言  

 徑向摩擦焊是摩擦焊技術近年發展起來的重要研究方向,具有摩擦焊優異的焊接性能、廣泛的工藝適應性、高可靠性、高效率、高精度、環保等優點,適用于環狀、不易旋轉的軸對稱零件,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方面以及兵工行業具有廣闊的應用前景"。徑向摩擦焊具有一系列熔化焊所不具備的優點,從新材料連接角度來看,適用于采用常規手段難以連接或連接成本較高的材料,焊縫成形質量和特性具有較高的可重復性,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換和冶金過程,也是一個熱--材料耦合過程。不同的是,由于徑向環在焊接之前需要有一定的塑性變形以及散熱條件的復雜性。因此,徑向摩擦焊相比傳統的摩擦焊如連續驅動軸向摩擦焊、慣性摩擦焊等具有更為復雜的熱-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之間的相對摩擦、焊接工件和徑向環一起達到塑性狀態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,也不參與形成接頭。因此徑向摩擦焊具有更為復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向深層次進軍,人們對鋼管及管道優質高效連接技術的需求更加強烈。徑向摩擦焊以其特別適合長管件優質高效連接的優勢重新引起了人們的重視。文中通過分析徑向摩擦焊技術特點、國內外對徑向摩擦焊基礎理論研究以及應用開發等方面的進展,總結了國內外徑向摩擦焊技術研發的成果,為徑向摩擦焊技術基礎研究及應用開發提供參考和借鑒。

1 徑向摩擦焊簡介

徑向摩擦焊采用一個徑向環繞著2個固定的管材兩端高速旋轉,管端與徑向環接觸面摩擦并產熱,使摩擦界面達到熱塑性狀態,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運動,在夾具夾持帶動下徑向環旋轉摩擦,在徑向壓力的作用下徑向環與管體形成摩擦焊接頭,實現2管體的連接。

徑向環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將軸向加壓轉換為徑向加壓的連續摩擦焊工藝,由于其引入中間旋轉加壓徑向環不僅改變了摩擦面的方向,焊件也由相對旋轉加壓變為相對固定加壓,實質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,使用擴張環時,在管的外部安裝了一個支撐環,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上的徑向夾持力及其旋轉速度決定了摩擦熱的產生,在一定旋轉速度下,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力和摩擦系數的變化決定,其決定了徑向摩擦焊過程中熱的產生和傳遞。徑向摩擦焊過程中,徑向力和徑向環坡面與軸線夾角的大小會影響摩擦力的大小,進

而影響接頭質量。如對中108 mm ×9.5 mm的鋼管,v形坡口的角度通常設定為100,而徑向環的坡面常為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,焊接過程中徑向環的直徑逐漸變小。若用閉合環,徑向壓力必須包括徑向環的塑性變形力,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,接頭處的處理及接頭處的組織性能是必須考慮的問題。

2 徑向摩擦焊基礎研究

與軸向摩擦焊一樣,摩擦焊也是一個涉及高溫高壓、熱--材料復雜多相場耦合過程。因此,在建立精確數學模型方面存在較大的困難。而摩擦焊過程中熱--材料耦合是決定焊接質量的關鍵因素,該問題的研究對揭示徑向摩擦焊機理、對優化焊接工藝、控制焊接接頭組織性能、提高焊接質量、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鍵信息,特別是接頭內部熱、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鍵物理信息,探索摩擦焊的物理本質,數值模擬技術成為有效的研究手段。

2.1 軸向摩擦焊數值模擬簡介在早期的摩擦焊溫度場模擬中,通常根據扭矩確定摩擦熱功率,再假設摩擦界面上熱功率的分布,用有限差分法數值計算,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,并根據摩擦扭矩求出熱功率13-5,到了80年代,有限元技術的成熟促進了數值模擬技術的發展,使得問題的求解更加接近其物理本質。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力場,得到了與試驗結果吻合良好的計算結果,使摩擦焊過程中熱-力耦合的物理本質得到了初步研究。

進入21世紀,隨著對摩擦焊產熱模型的改善、摩擦焊熱過程測量技術的發展,軸向摩擦焊基礎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熱、產熱效率進行了較為深人的研究"-1,有關研究結果已應用于連續驅動摩擦焊的產熱估計。特別是近期摩擦焊的數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。

但在摩擦焊數值模擬過程中,焊接區域高溫粘塑性金屬的熱力學數學建模一直是個難題,由于其具有高溫、大變形、高應變速率等特征,給試驗研究帶來了很大的困難。到目前為止,關于軸向摩擦焊接頭彈塑性變形區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種假設模型:

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

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,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驅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,如果焊接區能夠達到超塑性狀態,可使工件摩擦面流動性增加,更易連接在一起。前蘇聯一些科學家在研究高速鋼-45鋼,Ni-Ni,Cu-Cu摩擦焊時,根據變形溫度、變形速率及焊接區域組織形態,將焊接區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金屬塑性流動阻力與應變速率密切相關。事實上,摩擦焊能量轉換是一個極其復雜的過程,目前缺乏相關的理論和試驗支持。由于摩擦焊通常在高溫下進行,工件在發生變形的同時伴隨有溫度的變化,摩擦焊過程的數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,這已成為摩擦焊領域基礎研究的重要發展方向。

2.2 徑向摩擦焊的數值模擬

目前對于摩擦焊產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,有關徑向摩擦焊熱源模型分析的報道較少,但有關軸向摩擦焊的基礎研究為徑向摩擦焊的基礎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力場進行了數值模擬。在模擬中假設材料的屈服服從Von-raises屈服準則;塑性區內的行為符合各向同性硬化的流變法則;彈性應變、塑性應變,與溫度應變是可分的;材料的力學性能隨溫度變化;應力、應變在微小的時間內增量線性變化: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。此文獻創新性的施加了擋塊,能減少應力集中,改善應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彈體的徑向摩擦焊,焊接質量更高。也就是說,徑向摩擦焊施加擋塊頂力是很有必要的。計算結果和試驗結果基本一致,從試驗角度證明計算結果是正確的,實現了定性匹配。

2010年,王高見等人[1]對徑向摩擦焊熱輸人數值模型做了一定研究。在模擬中忽略組織變化時發生的相變潛熱;忽略焊接過程中媒件材料因變形而產生的熱量;假定沒有熱損失,焊件界面摩擦力所做的功全部轉化為生成熱?;谶@3個假設,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,應力分布較集中,最高應力出現在過渡套夾持處;有擋板作用時,應力分布均勻,最高應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,應力集中加劇,限制了過渡套的夾持作用。

徑向摩擦焊的基礎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、徑向夾持力和旋轉速度的本構關系以及徑向摩擦焊過程中接頭應力-應變規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、調控焊接質量、開發徑向摩擦焊裝備的基礎。

3徑向摩擦焊的應用

國外徑向摩擦焊技術開始于20世紀70年代中期。海底輸運管道鋪設中,由于海底殘酷的工作環境,對管道材料及連接技術要求極高,傳統的工藝很難勝任,有人開始引入優異的徑向摩擦焊技術。到了80年代,S.B.Dunkerton等人[2)在軸向連續驅動摩擦焊機上實現了管道的徑向壓力焊。在上世紀90年代,石油行業的低迷降低了對徑向摩擦焊技術的需求,從而使其研發陷于停滯。進入21世紀后,隨著石油行業的迅猛發展,特別是大規模油氣輸運管道的建設,如國內西氣東輸二期工程、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,徑向摩擦焊因其獨特的優勢而又被人們極大關注。隨著工業生產發展的需要,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。

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

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[")。中國兵器工業第五九研究所已研制出"CT-

25特種摩擦焊機",是國內第一臺能完成徑向、軸向的慣性、連續驅動摩擦焊等多種工藝及小批量生產的特種摩擦焊機,實現了薄壁紫銅彈帶與鋼彈體的摩擦焊接,更新改造了傳統彈帶的裝配和加工工藝。國內用于軸對稱件的摩擦焊研究基本局限于軸向摩擦焊,國產商用化摩擦焊機也只有軸向摩擦焊機。迄今為止,關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的微觀組織,并進行了常規拉伸測試和微型平面拉伸測試。結果表明,焊接區的拉伸性能有所提高,并且保持著較好的塑性,包括熱影響區在內的焊接區域發生了較好的組織轉變。分析認為拉伸性能的提高與組織轉變有密切的關系,焊縫及熱影響區保持著較好的塑性與動態再結晶產生的B相有關。

Kwietniewski等人[23]Ti-6Al-4V-0.1 Ru合金進行了徑向摩擦焊的熱模擬試驗。試驗模擬實際徑向摩擦焊熱循環過程,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耗材區斷裂韌性的影響。由于發生了動態再結晶,試驗結果顯示摩擦環耗材區(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。



旋轉速度及其尺寸對接頭組織性能的影響,并對工藝參數優化。當P355NL1鋼為徑向環時,徑向環旋轉速度越大,摩擦時間越長,形成的接頭越寬,焊后鋼環的變形量越大。盡管徑向環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使熱影響區的硬度提高。但由于接頭的微觀組織中出現大量粗大的貝氏體組織,隨著徑向環旋轉速度的增加,接頭的沖擊韌性逐漸下降。當用P460NL1鋼作徑向環時,研究徑向環厚度對接頭性能的影響,結果表明,徑向環厚度對接頭的抗拉強度沒有任何影響;但厚度越大,接頭及熱影響區的貝氏體含量越少,接頭沖擊韌性越大。

徑向摩擦焊在工業生產中的應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是徑向摩擦焊技術在實際生產中應用的物質條件,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應用的基礎,也是未來徑向摩擦焊裝備研發的發展方向。

結語

對于不易旋轉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勢,但徑向摩擦焊在基礎研究和應用開發方面均遠遠落后于軸向摩擦焊。過去軸向摩擦焊的基礎研究對徑向摩擦焊的基礎研究提供了很好的基礎和借鑒。通過數值模擬技術對徑向摩擦焊物理本質深入研究,將會促進徑向摩擦焊工藝及裝備的研發。徑向摩擦焊裝備的研發是徑向摩擦焊技術在實際生產中應用的物質條件,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應用的基礎,也是未來徑向摩擦焊裝備研發的發展方向


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