摩擦焊形變熱處理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

齊秀濱，秦國梁，周 軍

(1.機械科研研究院 哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.山東大學 現(xiàn)代焊接技術研究所，山東 濟南 250061)

摩擦焊形變熱處理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

齊秀濱1，秦國梁2，周 軍1

(1.機械科研研究院 哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.山東大學 現(xiàn)代焊接技術研究所，山東 濟南 250061)

針對目前石油鉆桿摩擦焊接頭塑韌性差、生產效率低等問題，根據(jù)石油鉆桿摩擦焊接過程的特點和形變熱處理原理，提出了石油鉆桿形變熱處理摩擦焊工藝，實現(xiàn)了摩擦焊接過程和形變熱處理過程的統(tǒng)一。通過改裝基于自主研發(fā)的摩擦焊機主軸系統(tǒng)，設計研制了形變熱處理裝置、控制系統(tǒng)以及回火系統(tǒng)，開發(fā)了具有形變熱處理功能的混合型摩擦焊機。基于PLC控制器開發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，對摩擦焊接過程和形變熱處理過程協(xié)調控制，很好地實現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過程的自動控制。試驗結果表明，摩擦焊形變熱處理石油鉆桿接頭的力學性能指標均符合并高于中國石油標準SY／T5561-1999，大大減小了焊接熱影響區(qū)的尺寸。

摩擦焊；形變熱處理；石油鉆桿

0 前言

摩擦焊是目前石油鉆桿焊接生產的關鍵工藝，但在石油鉆桿的使用過程中，還存在著焊縫焊接質量差、接頭性能大幅度下降等問題。按API(American Petroleum Institute，美國石油學會)標準要求，G105以上材料鋼級的石油鉆桿要求鉆桿整體采用調質的熱處理組織狀態(tài)，而摩擦焊接的熱循環(huán)峰值溫度為1 100℃～1 200℃，焊后空冷相當于正火處理，因此單獨依靠摩擦焊工藝很難滿足API標準關于石油鉆桿金相組織以及強韌性的要求。不少G105以上材料鋼級的石油鉆桿焊后因接頭性能低，經(jīng)常發(fā)生事故，主要原因歸結為摩擦焊接頭韌性有較大降低和焊后局部熱處理熱影響區(qū)邊界硬度、強度下降等兩方面問題。因此，石油鉆桿的摩擦焊接一般都要采用焊后熱處理來提高其強度和韌性。

目前，國內外鉆桿生產廠家，為了將摩擦焊接頭組織恢復到調質熱處理組織狀態(tài)普遍采用美國的專利技術，即摩擦焊接后經(jīng)感應加熱退火(去飛邊)+調質(淬火+回火)。對焊接石油鉆桿來說，焊后熱處理都是對焊接頭進行局部熱處理，這樣又引發(fā)了焊后熱處理熱影響區(qū)邊界過回火區(qū)硬度下降。因此，焊后熱處理恢復接頭韌性是以降低熱處理邊界硬度為代價的，而熱處理邊界硬度低往往成為新的危險斷面，實踐也證明摩擦焊石油鉆桿破壞也普遍發(fā)生在這個區(qū)域。大量的試驗研究和生產實踐證實，這套工藝只能部分恢復接頭韌性，而無法在不降低接頭強度的前提下使摩擦焊接頭韌性達到或接近母材水平[1-7]。

從目前石油鉆桿熱處理的研究和應用現(xiàn)狀來看，當前的一些熱處理工藝已經(jīng)很難滿足日益發(fā)展的深層井對石油鉆桿強度和韌性的要求，開發(fā)新的熱處理工藝已成為石油鉆桿制造技術亟待解決的關鍵問題。根據(jù)摩擦焊和形變熱處理的特點，將摩擦焊和形變熱處理技術有機結合起來，利用剎車能耗和焊接余熱進行形變熱處理，充分挖掘摩擦焊接過程自身具有的形變與相變雙重強韌化的潛力，開發(fā)石油鉆桿摩擦焊形變熱處理工藝，以達到用單一方法無法得到的石油鉆桿綜合力學性能，開辟了一條石油鉆桿摩擦焊的新途徑。

1 摩擦焊形變熱處理工藝的可行性

1.1 高溫形變熱處理特性和參數(shù)

高溫形變熱處理首先將鋼材或零件加熱至穩(wěn)定奧氏體區(qū)保溫，獲得均勻的奧氏體組織，然后在該溫度下進行高溫塑性形變，通過控制高溫形變的方法和形變參數(shù)以獲得所需的形變后、相變前的奧氏體組織，最后通過控制形變奧氏體的冷卻過程得到所需的組織和性能，是一種將成形工藝與獲得最終性能統(tǒng)一起來的復合強韌化處理方法[8-9]。高溫形變熱處理在提高鋼材強度的同時大大改善其塑性、韌性，減少脆性，顯著改善了鋼材的抗沖擊、耐疲勞能力，降低了脆性轉變溫度和缺口敏感性。

高溫形變熱處理強韌化機理是位錯強化、析出強化、亞結構強化和相變強化的綜合結果，尤其是亞結構強化起著決定性作用[10]。通常高溫形變后，形變奧氏體處于由加工硬化狀態(tài)到完全再結晶狀態(tài)的一系列狀態(tài)，若處于加工硬化狀態(tài)，則淬火后可在塑性、韌性變化不大的情況下大為強化；若處于完全再結晶狀態(tài)，則性能取決于再結晶晶粒大小；若處于部分再結晶狀態(tài)，則性能取決于再結晶百分數(shù)。因此高溫形變熱處理的過程控制要求比普通熱處理更加嚴格，其效果取決于能夠決定高溫形變熱處理后組織的工藝參數(shù)，尤其是高溫形變參數(shù)(決定形變后奧氏體狀態(tài))和冷卻過程(最終決定材料的組織和性能)的控制。影響高溫形變熱處理效果的參數(shù)主要有：

(1)奧氏體化溫度與形變溫度：奧氏體化溫度應控制在使碳化物完全溶解，而晶粒又不至于過分粗大為宜，一般為950℃～1 150℃。

(2)形變量與形變速度。通常認為，高溫形變熱處理的最佳形變量為25%～45%。一般來說，為了高溫形變熱處理后能獲得多邊化亞結構，大斷面零件為了形成亞結構，應選取很小的形變速度。在大形變速度下，若形變溫度高，則容易發(fā)生動態(tài)再結晶；若形變溫度低，則可能來不及進行多邊化過程。

(3)形變后淬火前的停留時間。為了獲得最佳機械性能，必須確定形變終止后至淬火前的適宜停留(或保溫)時間。對于高合金鋼，研究表明，其奧氏體抵抗再結晶過程的能力很強，致使中高合金鋼形變剛結束時還處于熱加工硬化狀態(tài)，為了發(fā)生多邊化，根據(jù)不同情況，形變后進行適當?shù)谋匾彩呛侠淼摹?/p>

(4)淬火、回火溫度。由于碳素鋼和低合金鋼的淬透性較差，可以采用提高淬火溫度來獲得最大相變強化效果，但由于再結晶充分發(fā)展而使得形變強化效果減弱。另外，由于高溫形變熱處理時形成的亞結構非常穩(wěn)定，回火抗力明顯提高，為了獲得與常規(guī)熱處理相同的硬度，回火溫度應提高30℃～50℃。

1.2 連續(xù)驅動摩擦焊接過程的特點

連續(xù)驅動摩擦焊是應用最廣泛、技術相對比較成熟的摩擦焊接工藝。在整個摩擦焊接過程中，待焊金屬表面經(jīng)歷了從低溫到高溫的摩擦加熱，連續(xù)發(fā)生了塑性變形、機械挖掘、粘接和分子連接的過程變化，形成了一個存在于全過程的高速摩擦塑性變形層，摩擦焊接時的產熱、變形和擴散現(xiàn)象都集中在變形層中。在停車階段和頂鍛焊接過程中，摩擦表面的變形層和高溫區(qū)金屬被部分擠碎排出，焊縫金屬經(jīng)受鍛造，形成了質量良好的焊接接頭。在這個伴隨摩擦加熱、高溫形變及連續(xù)冷卻的熱力循環(huán)過程中，熱循環(huán)峰值溫度為1 100℃～1 200℃，具有壓力加工、焊接、熱處理聯(lián)合作用的特點，符合高溫形變熱處理的條件。

摩擦焊接過程既是焊接過程的實現(xiàn)，同時又是為形變熱處理進行熱循環(huán)的準備和形變過程，摩擦焊工藝單從強化效果上看已大大超過了使用要求，如果再加強形變與相變對韌性方面的有利影響，就可以得到高水平的強韌化接頭。

1.3 高溫形變熱處理在摩擦焊接過程中應用的可行性

在過去的摩擦焊技術研究中，由于忽視了形變強化與相變強化的雙重作用，沒有有意識地挖掘這種雙重作用的潛力。在高溫形變與相變過程中形成的摩擦焊接頭，具備高溫形變與相變的雙重作用，焊縫及其附近強度由于形變強化作用明顯高于母材。關鍵是通過調整摩擦焊工藝規(guī)范、適當?shù)乜刂菩巫儨囟扰c相變溫度，實現(xiàn)形變強化與相變強化的統(tǒng)一。充分挖掘摩擦焊接過程自身具有的形變與相變雙重強韌化的潛力，把摩擦焊高溫形變引入的大量位錯、鑲嵌結構等用形變淬火牢固釘扎住，即通過摩擦焊接過程具備的高溫形變、焊接和焊縫細晶奧氏體化準備過程，焊接頂鍛保持使熱形變組織中獲得發(fā)展完全的亞結構，從而要求在動態(tài)回復完成而動態(tài)再結晶尚未開始時停止形變，而在靜態(tài)回復完成且靜態(tài)再結晶尚未開始時對摩擦焊焊縫進行淬火處理，實現(xiàn)摩擦焊接過程和形變熱處理過程的統(tǒng)一。

對于摩擦焊接過程和形變熱處理過程的統(tǒng)一，關鍵在于對焊接過程的控制以及兩個過程的協(xié)調。通過利用計算機控制技術在各種時間、溫度檢測傳感器的配合下完全可以實現(xiàn)摩擦焊接過程和形變熱處理過程的協(xié)調控制，實現(xiàn)摩擦焊接頭的高溫形變熱處理。

2 摩擦焊形變熱處理裝置機械設計

連續(xù)驅動摩擦焊接過程中剎車消耗掉大部分主軸轉動慣量，只有少部分用于焊接區(qū)的形變，降低剎車減速度可促進接頭形變，優(yōu)化形變條件即可通過配比合適的轉動慣量最終取消剎車。可見，利用剎車能耗反而可用較低的形變力獲得最佳的形變條件，為此對連續(xù)驅動摩擦焊機主軸系統(tǒng)進行相應改造。此外，還需要在摩擦焊機的基礎上設計形變熱處理設備和回火處理設施。

2.1 形變熱處理摩擦焊機主軸系統(tǒng)構成

與連續(xù)驅動摩擦焊機主軸系統(tǒng)一樣，具有形變熱處理功能的混合型摩擦焊接主軸系統(tǒng)回轉支承同樣采用兩套單列圓柱滾子軸承分布兩端的結構來保證主軸的旋轉精度和焊接時摩擦扭矩產生的徑向力要求。焊機快速頂鍛瞬間產生的軸向力通過兩套推力調心滾子軸承來承載，一套采用固定安裝，另一套采用平衡油缸活動安裝，每個軸承只承受一半軸向力。裝配時通過螺母將軸承預緊。主軸的旋轉通過離合器來實現(xiàn)，離合器采用圓錐離合器，由離合油缸帶動離合器沿花鍵套往復運動，當離合器和皮帶輪接合時帶動主軸轉動來實現(xiàn)可靠的動力傳遞；脫開時，主軸在頂鍛力的作用下剎車。

2.2 摩擦焊形變熱處理裝置的機械設計

形變熱處理在高溫變形之后需要立即對工件進行淬火處理以及回火處理，需要在摩擦焊接頭位置上設計添加淬火設備以及回火處理設備，包括淬火介質的儲存容器和輸運線路、噴施裝置以及回火加熱裝置。

2.2.1 淬火介質

淬火介質主要有液態(tài)介質、氣態(tài)介質以及液-氣霧化介質，液-氣霧化介質的冷卻物理過程與浸沒式冷卻介質不同。在一般浸沒式淬火中，冷卻介質(如水、油等)具有物態(tài)變化過程：高溫灼熱工件浸入這類介質中，工件四周的液體迅速達到沸點而汽化，在工件表面形成一層氣化膜，這層氣化膜將工件與液體介質隔開，由于汽化膜是熱的不良導體，嚴重地妨礙熱傳導，使淬火工件冷卻速度減緩。而在液-氣霧化介質冷卻過程中，汽化后的介質被迅速排除，未氣化的介質被新的高速霧粒沖刷掉，因而難以形成穩(wěn)定的氣化膜，在液-氣霧化介質冷卻過程中不存在浸沒式淬火中慢冷的汽化膜冷卻階段。另外，噴灑在淬火部位的霧粒停留時間很短，液體來不及過熱，所以冷卻烈度增強而又比較均勻。

因此，石油鉆桿摩擦焊形變熱處理淬火介質選擇液-氣霧化介質，并通過合適的儲存、輸運、噴施裝置調節(jié)液體和氣體的壓力、流量、噴嘴至冷卻表面的距離來獲得理想的冷卻特性。

2.2.2 淬火介質儲存設備和運輸線路

形變熱處理裝置根據(jù)摩擦焊過程的形變熱處理工藝對淬火的實際要求，設計了一套液-氣霧化介質的淬火裝置，其原理如圖1所示。

設計的可調噴嘴將壓縮空氣吹到與其成一定角度的液體流束上，使液體破碎并改變運動方向，形成與空氣混合的霧粒，隨著大量霧粒高速噴灑在灼熱的焊縫區(qū)，迅速汽化帶走大量熱量，焊縫區(qū)迅速冷卻。當冷至HCCT圖鼻溫區(qū)以下后減少乃至切斷液體。降低冷卻烈度，把噴霧變成噴氣，以保證馬氏體在較慢的冷速下轉變，以防止產生淬火裂紋。經(jīng)一段時間，當完成馬氏體轉變后停止噴氣，最后變?yōu)榭绽洹?/p>

圖1 形變熱處理淬火裝置示意

2.2.3 淬火介質的噴施裝置

介質噴施裝置是由液體和氣體兩個相互密閉的噴施環(huán)組焊而成，在噴施環(huán)圓周12等分上指向圓心安裝了12個介質噴嘴，噴嘴是自主研制的產品。

噴嘴設計了液體和氣體兩條運行通道，混合前是相互密閉的，液體通過噴施環(huán)進入噴嘴閥芯內環(huán)，氣體通過噴施環(huán)進入噴嘴閥芯外環(huán)，壓縮空氣通過閥芯環(huán)形隙縫以一定角度射出，利用高速氣體流把閥芯內環(huán)噴出的液體不斷地打碎帶走。以液氣混合形式通過一定尺寸斜孔的隔板，使液氣混合介質的顆粒進一步減小。顆粒細小的液氣混合介質以一定的速度噴施在一定角度放入噴嘴錐面上，再經(jīng)一定尺寸的孔壓縮后將液氣混合介質變成霧狀液氣混合物。淬火介質噴施裝置如圖2所示。

圖2 摩擦焊形變熱處理淬火介質噴施裝置

淬火介質噴施裝置可以通過摩擦焊接專家系統(tǒng)根據(jù)焊件材料、直徑、壁厚、面積來改變液體與氣體的壓力、流量以及噴嘴至冷卻表面的距離以獲得理想的冷卻特性，很好地解決了不同材料、不同厚壁的接頭淬透性問題。另外，此裝置移動部分安裝在直線導軌上，具有操作方便、移動靈活的特點。

由于摩擦焊形變熱處理工藝不再對摩擦焊接頭進行焊后加熱淬火，也就不存在重復熱處理使熱影響區(qū)邊界硬度下降的不良后果，而焊接熱影響區(qū)通過形變區(qū)擴大而被完全覆蓋，其形變強化效應可完全抑制硬度下降造成的邊界軟化。

2.2.4 回火裝置的設計

回火系統(tǒng)采用中頻感應加熱，如圖3所示。通過紅外測溫儀中的光纖測溫探頭檢測回火溫度信號，并與感應加熱電源形成閉環(huán)控制，以確定保溫溫度范圍。當時間繼電器設定的保溫時間到時，控制系統(tǒng)關閉中頻電源，實現(xiàn)對焊縫的回火溫度閉環(huán)控制。

圖3 摩擦焊形變熱處理回火裝置

3 形變熱處理與焊接過程的協(xié)調控制

摩擦焊形變熱處理的加熱過程是通過摩擦焊本身的焊接過程實現(xiàn)的，摩擦焊接過程既是焊接過程的同時又是為形變淬火進行熱循環(huán)的準備過程，既要滿足摩擦焊工藝本身對熱循環(huán)要求的同時又要滿足形變淬火對熱循環(huán)的要求，既滿足摩擦焊焊縫強韌性要求的同時又要求焊縫的加熱組織是均一穩(wěn)定的細晶奧氏體組織，作到正火區(qū)和不完全正火區(qū)域盡可能窄。在這個前提下，要求形變熱處理控制系統(tǒng)與摩擦焊控制系統(tǒng)必須協(xié)調一致。在摩擦焊接后適時對接頭進行形變淬火，且淬火時機和淬火參數(shù)可由計算機控制系統(tǒng)根據(jù)工件材料、尺寸和壁厚進行調整。

基于PLC控制器設計了開發(fā)了摩擦焊后形變熱處理控制系統(tǒng)，并與摩擦焊接過程實現(xiàn)了協(xié)調控制。由計算機編制PLC控制程序傳輸給PLC控制器，PLC控制器按計算機編制的程序實現(xiàn)摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過程的自動控制。同時PLC控制擴展模塊實現(xiàn)摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過程的轉速、壓力、位移、時間等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集再傳輸給計算機，充分發(fā)揮了PLC機較高的抗干擾能力，避免了計算機參數(shù)采集和控制抗干擾能力差的缺點。

開發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，集合了摩擦焊接過程控制、形變淬火過程控制、焊接過程數(shù)據(jù)采集、摩擦焊機運行及系統(tǒng)狀態(tài)診斷、信息綜合管理等功能，很好地實現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過程的自動控制。

4 試驗驗證

石油鉆桿管體選擇調質態(tài)37CrMnMo5″G105鋼級管材，接頭材料采用42CrMoA鍛件調質鋼。摩擦焊形變熱處理后焊縫組織為完全淬透的馬氏體組織，如圖4a所示，熱影響區(qū)與母材界面處為不完全淬火區(qū)，金相組織為細晶馬氏體+鐵素體+少量貝氏體。37CrMnMo側不完全淬火區(qū)寬度約0.6 mm，42CrMoA側不完全淬火區(qū)寬0.3 mm，如圖4b所示。

接頭屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別達到765 MPa、845 MPA和15%，都明顯高于中國石油標準SY／T5561-1999，接頭的沖擊韌性更是達到了95 J的平均值，遠高于標準值20 J。接頭的力學性能指標均符合且高于中國石油標準SY／T5561-1999。

5 結論

通過分析高溫形變熱處理的條件和連續(xù)驅動摩擦焊接過程特點，提出了將高溫形變熱處理應用于石油鉆桿的摩擦焊后熱處理。通過改裝原有摩擦焊機主軸系統(tǒng)，設計研制了形變熱處理裝置和控制系統(tǒng)以及回火系統(tǒng)，開發(fā)了具有形變熱處理功能的混合型摩擦焊機。基于PLC控制器開發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，對摩擦焊接過程和形變熱處理過程進行協(xié)調控制，集合了摩擦焊接過程控制、形變淬火過程控制、焊接過程數(shù)據(jù)采集、摩擦焊機運行及系統(tǒng)狀態(tài)診斷、信息綜合管理等功能，很好地實現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過程的自動控制。試驗表明，摩擦焊形變熱處理石油鉆桿接頭的力學性能指標均符合且高于中國石油標準SY／T5561-1999，大大減小了焊接熱影響區(qū)的尺寸。

圖4 摩擦焊形變熱處理接頭形貌

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Development of friction welding system with thermomechanical treatment for oil drill pipe

QI Xiu-bin1，QIN Guo-liang2，ZHOU Jun1
(1.Harbin Welding Institute，Harbin 150080，China；2.Institute of Advanced Welding Technology，Shandong University，Ji'nan 250061，China)

In view of the low toughness of the joint and low production efficiency in friction welding oil drill pipe，the friction welding with thermomechanical treatment for oil drill pipe was proposed according to the charachateristics of friction welding and the principle of the thermomechanical treatment，which integrates the thermomechanical treatment process into the friction welding process.The hybrid friction welding machine with thermomechanical treatment was developed by modifying the main shaft system of the friction welding machine，designing the thermomechanical treatment equipment and system and tempering system.Based on the PLC controller，the control system of the hybrid friction welding machine with thermomechanical treatment was developed，which can realize the coordinate control of the friction welding process and the thermomechanical treatment process and the automatic control of the quenching process after friction welding.The experimental results show the mechanical properties of the joint welded by friction welding with the thermomechanical treatment satisfy the China Oil Standard of SY／T5561-1999，and the size of the HAZ is decreased.Key words：friction welding；thermaomechanical treatment；oil drill pipe

TG409

A

1001-2303(2011)09-0025-05

2010-10-23；

2011-07-26

國家自然科學基金資助項目(51075174)

齊秀濱(1965—)，女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，主要從事機器人焊接及其仿真技術、焊接工藝裝備的開發(fā)與設計、激光焊接與切割工藝裝備的研究，參加國家“八五”“九五”科技攻關計劃重點項目等項目。