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径向摩擦焊技术研究与开发进展

发表时间:2018-12-16 13:14作者:山东大学现代焊接技术研究所(济南市250061)梁永亮秦国梁,机械科学研究院哈尔滨焊接研究所(150

前言  

 径向摩擦焊是摩擦焊技术近年发展起来的重要研究方向,具有摩擦焊优异的焊接性能、广泛的工艺适应性、高可靠性、高效率、高精度、环保等优点,适用于环状、不易旋转的轴对称零件,如长管道的对接、管管套接等接头形式,在石油与天然气输运管道建设方面以及兵工行业具有广阔的应用前景"。径向摩擦焊具有一系列熔化焊所不具备的优点,从新材料连接角度来看,适用于采用常规手段难以连接或连接成本较高的材料,焊缝成形质量和特性具有较高的可重复性,无论被连接材料的类型和尺寸如何,都能获得较高效率的连接。如对中152.4-304.8 mm管径的石油管道连接成形的时间一般为12-25s,一天约能完成200段管线的连接。

同轴向摩擦焊和搅拌摩擦焊一样,径向摩擦焊是一个高温高压下的能量转换和冶金过程,也是一个热--材料耦合过程。不同的是,由于径向环在焊接之前需要有一定的塑性变形以及散热条件的复杂性。因此,径向摩擦焊相比传统的摩擦焊如连续驱动轴向摩擦焊、惯性摩擦焊等具有更为复杂的热-力耦合过程和散热条件等边界条件,增加了焊接热过程的复杂程度。与搅拌摩擦焊相比,径向摩擦焊是焊接工件和辅助径向环之间的相对摩擦、焊接工件和径向环一起达到塑性状态而在径向压力下形成一体的焊接接头,而不像搅拌摩擦焊那样通过第三体与焊接工件的摩擦

形成接头,但第三体不达到塑性状态,也不参与形成接头。因此径向摩擦焊具有更为复杂的焊接热过程和热-力耦合过程。

近些年来,随着油气资源勘探开发向深层次进军,人们对钢管及管道优质高效连接技术的需求更加强烈。径向摩擦焊以其特别适合长管件优质高效连接的优势重新引起了人们的重视。文中通过分析径向摩擦焊技术特点、国内外对径向摩擦焊基础理论研究以及应用开发等方面的进展,总结了国内外径向摩擦焊技术研发的成果,为径向摩擦焊技术基础研究及应用开发提供参考和借鉴。

1 径向摩擦焊简介

径向摩擦焊采用一个径向环绕着2个固定的管材两端高速旋转,管端与径向环接触面摩擦并产热,使摩擦界面达到热塑性状态,在一定径向力下形成牢固接头的方法,见图1,管两端对接在一起时,两端坡面形成了一个V形坡口,这时把2管夹紧,以防止轴向移动和旋转运动,在夹具夹持带动下径向环旋转摩擦,在径向压力的作用下径向环与管体形成摩擦焊接头,实现2管体的连接。

径向环的夹持力有径向压缩和径向扩张2种方式(21,见图2,径向摩擦焊顶锻力主要分为轴向加压和径向加压2种方式。轴向加压径问摩擦焊是采用锥面环将轴向加压转换为径向加压的连续摩擦焊工艺,由于其引入中间旋转加压径向环不仅改变了摩擦面的方向,焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压,实质上是利用径向加压来解决轴向连接的摩擦焊工艺,非常适合于小口径管道的焊接。

在使用压缩环焊接时,在管接头处放置一个支撑芯棒,以防止2管的焊接端被压溃而不能有效焊接。同样,使用扩张环时,在管的外部安装了一个支撑环,以防2管的焊接端在径向扩张力的作用过度膨胀而不能有效焊接。

径向摩擦焊过程中径向环上的径向夹持力及其旋转速度决定了摩擦热的产生,在一定旋转速度下,摩擦热功率的大小及其随摩擦时间的变化由外加径向夹持ft力和摩擦系数的变化决定,其决定了径向摩擦焊过程中热的产生和传递。径向摩擦焊过程中,径向力和径向环坡面与轴线夹角的大小会影响摩擦力的大小,进

而影响接头质量。如对中108 mm ×9.5 mm的钢管,v形坡口的角度通常设定为100,而径向环的坡面常为800,后者的斜度比前者的小有利于降低初始峰值扭矩,也可以促进坡口底部金属向外流出,从而彻底挤出氧化皮。管材坡面的最佳角度的选定是由试验确定的。此外,由于采用径向加压,焊接过程中径向环的直径逐渐变小。若用闭合环,径向压力必须包括径向环的塑性变形力,随着焊接材料的强度不断提高,这个力是不可忽视的;若用开口环,接头处的处理及接头处的组织性能是必须考虑的问题。

2 径向摩擦焊基础研究

与轴向摩擦焊一样,摩擦焊也是一个涉及高温高压、热--材料复杂多相场耦合过程。因此,在建立精确数学模型方面存在较大的困难。而摩擦焊过程中热--材料耦合是决定焊接质量的关键因素,该问题的研究对揭示径向摩擦焊机理、对优化焊接工艺、控制焊接接头组织性能、提高焊接质量、改进焊接装备均有重要的作用。

但由于焊接过程中的一些关键信息,特别是接头内部热、冶金、塑性流变等物理信息,目前还缺乏有效地直接检测措施。为了研究这些焊接过程中的关键物理信息,探索摩擦焊的物理本质,数值模拟技术成为有效的研究手段。

2.1 轴向摩擦焊数值模拟简介在早期的摩擦焊温度场模拟中,通常根据扭矩确定摩擦热功率,再假设摩擦界面上热功率的分布,用有限差分法数值计算,得到摩擦界面上的热输人功率。

20世纪60-70年代,人们主要采用有限差分法对轴向摩擦焊温度场进行计算,并根据摩擦扭矩求出热功率13-5,到了80年代,有限元技术的成熟促进了数值模拟技术的发展,使得问题的求解更加接近其物理本质。Sluzalec等人“-7分别采用有限元法研究了轴向摩擦焊温度场和应力场,得到了与试验结果吻合良好的计算结果,使摩擦焊过程中热-力耦合的物理本质得到了初步研究。

进入21世纪,随着对摩擦焊产热模型的改善、摩擦焊热过程测量技术的发展,轴向摩擦焊基础研究进人了更加深人的热-力耦合作用阶段,对不同摩擦阶段的产热、产热效率进行了较为深人的研究"-1,有关研究结果已应用于连续驱动摩擦焊的产热估计。特别是近期摩擦焊的数值模拟比较充分地考虑了热-力耦合作用,弥补了早期对摩擦焊参量场的模拟主要集中

在温度场而忽略热-力耦合作用的不足。

但在摩擦焊数值模拟过程中,焊接区域高温粘塑性金属的热力学数学建模一直是个难题,由于其具有高温、大变形、高应变速率等特征,给试验研究带来了很大的困难。到目前为止,关于轴向摩擦焊接头弹塑性变形区力学模型主要提出了刚塑性体模型、粘性流体模型和超塑性体模型3种假设模型:

1)刚塑性体模型[12 假设材料在屈服前处于刚体状态,一旦屈服,即进入塑性流动状态,流动应力不随应变量而变化。

2)粘性流体模型[3-1]在摩擦焊过程中,摩擦热使金属达到塑性状态,将其视为粘度很大的粘性流体。粘性流动模型可以更好地描述钢管连续驱动摩擦焊焊接阶段材料的流场11

3)超塑性体模型(16]在摩擦焊过程中,如果焊接区能够达到超塑性状态,可使工件摩擦面流动性增加,更易连接在一起。前苏联一些科学家在研究高速钢-45钢,Ni-NiCu-Cu摩擦焊时,根据变形温度、变形速率及焊接区域组织形态,将焊接区域金属处理为超塑性体。

以上3种模型中除刚塑性体外都反映了焊接区金属塑性流动阻力与应变速率密切相关。事实上,摩擦焊能量转换是一个极其复杂的过程,目前缺乏相关的理论和试验支持。由于摩擦焊通常在高温下进行,工件在发生变形的同时伴随有温度的变化,摩擦焊过程的数值模拟必须考虑温度的影响,即需要进行温度场与变形场的耦合计算,这已成为摩擦焊领域基础研究的重要发展方向。

2.2 径向摩擦焊的数值模拟

目前对于摩擦焊产热及热源模型的分析和建立,主要是基于轴向摩擦焊和搅拌摩擦焊进行的,有关径向摩擦焊热源模型分析的报道较少,但有关轴向摩擦焊的基础研究为径向摩擦焊的基础研究提供了很好的借鉴,

2002年邓爱明[")对纯铜与合金钢径向摩擦焊的温度场和应力场进行了数值模拟。在模拟中假设材料的屈服服从Von-raises屈服准则;塑性区内的行为符合各向同性硬化的流变法则;弹性应变、塑性应变,与温度应变是可分的;材料的力学性能随温度变化;应力、应变在微小的时间内增量线性变化:热源集中于基准面上;不考虑相变影响,材料无论在任何温度下均是固体。

胡建181通过3维有限元分析建立了径向摩擦焊中

径向环的简化夹持模型。采用了从试验测得的速度曲线反推得到的平均摩擦系数。此文献创新性的施加了挡块,能减少应力集中,改善应力分布不均匀的状况。有挡块作用比无挡块作用时更容易实现弹体的径向摩擦焊,焊接质量更高。也就是说,径向摩擦焊施加挡块顶力是很有必要的。计算结果和试验结果基本一致,从试验角度证明计算结果是正确的,实现了定性匹配。

2010年,王高见等人[1]对径向摩擦焊热输人数值模型做了一定研究。在模拟中忽略组织变化时发生的相变潜热;忽略焊接过程中媒件材料因变形而产生的热量;假定没有热损失,焊件界面摩擦力所做的功全部转化为生成热。基于这3个假设,对径向摩擦焊夹持模型进行了3维有限元分析,无挡板作用时,应力分布较集中,最高应力出现在过渡套夹持处;有挡板作用时,应力分布均匀,最高应力并未在过渡套夹持处。因此,随着过渡套上夹持力的增加,无挡板作用时,应力集中加剧,限制了过渡套的夹持作用。

径向摩擦焊的基础研究正处于起步探索阶段,缺乏对径向摩擦焊热功率与材料状态、径向夹持力和旋转速度的本构关系以及径向摩擦焊过程中接头应力-应变规律及其温度场的耦合机制的深入研究,这也是深入分析径向摩擦焊物理机制、调控焊接质量、开发径向摩擦焊装备的基础。

3径向摩擦焊的应用

国外径向摩擦焊技术开始于20世纪70年代中期。海底输运管道铺设中,由于海底残酷的工作环境,对管道材料及连接技术要求极高,传统的工艺很难胜任,有人开始引入优异的径向摩擦焊技术。到了80年代,S.B.Dunkerton等人[2)在轴向连续驱动摩擦焊机上实现了管道的径向压力焊。在上世纪90年代,石油行业的低迷降低了对径向摩擦焊技术的需求,从而使其研发陷于停滞。进入21世纪后,随着石油行业的迅猛发展,特别是大规模油气输运管道的建设,如国内西气东输二期工程、中俄油气管道工程以及海洋油气资源的输运等都急需管道高效连接技术,径向摩擦焊因其独特的优势而又被人们极大关注。随着工业生产发展的需要,德国采用轴向加压径向摩擦焊已完成摩托车离合器盘组合件装配,并用于实际生产。

径向摩擦焊另外一个重要应用是兵工行业中弹带焊接。美国陆军于1986年已经将其列为制造方法和技术的研究重点,美国的MTT公司于20世纪90年代初焊出模拟样品。美国陆军现已披露的有155 mm

弹弹带径向摩擦焊工艺研究。此外,英国TWI也开展了类似的研究。中国也将该工艺的研究列入了八五

规划,并于1992年起开始了研究工作,已取得突破性进展[")。中国兵器工业第五九研究所已研制出"CT-

25特种摩擦焊机",是国内第一台能完成径向、轴向的惯性、连续驱动摩擦焊等多种工艺及小批量生产的特种摩擦焊机,实现了薄壁紫铜弹带与钢弹体的摩擦焊接,更新改造了传统弹带的装配和加工工艺。国内用于轴对称件的摩擦焊研究基本局限于轴向摩擦焊,国产商用化摩擦焊机也只有轴向摩擦焊机。迄今为止,关于径向摩擦焊的公开报道,研究基本处于工艺探索阶段。国外对钛合金、钢铁等材料的径向摩擦焊工艺进行了初步的研究。

Torster等人[2)对径向摩擦焊焊接的Ti-6Al-4V

-0.1 Ru管道(中170 mm x9 mm)材料的力学性能做了研究,用光学显微镜观察了焊接区的微观组织,并进行了常规拉伸测试和微型平面拉伸测试。结果表明,焊接区的拉伸性能有所提高,并且保持着较好的塑性,包括热影响区在内的焊接区域发生了较好的组织转变。分析认为拉伸性能的提高与组织转变有密切的关系,焊缝及热影响区保持着较好的塑性与动态再结晶产生的B相有关。

Kwietniewski等人[23]Ti-6Al-4V-0.1 Ru合金进行了径向摩擦焊的热模拟试验。试验模拟实际径向摩擦焊热循环过程,并加以不同的顶锻压力,获得3种塑性形变量的试件,以研究塑性变形量对摩擦环耗材区断裂韧性的影响。由于发生了动态再结晶,试验结果显示摩擦环耗材区(SCRZ)中B相的尺寸随塑性变形程度的增加而逐


渐减小,见表1。试验结果表明晶粒尺寸对断裂韧性和材料的硬度没有影响,亦即与塑性变形量没有关系。以上研究为Ti-6Al-4V-0.1Ru合金材料的径向摩擦焊过程中的径向加持力大小和变形量的选择,具有很好的参考价值。



旋转速度及其尺寸对接头组织性能的影响,并对工艺参数优化。当P355NL1钢为径向环时,径向环旋转速度越大,摩擦时间越长,形成的接头越宽,焊后钢环的变形量越大。尽管径向环拉伸强度低于钢管母材的拉伸强度,然而接头处材料的拉伸强度等同,主要原因是焊接热循环使热影响区的硬度提高。但由于接头的微观组织中出现大量粗大的贝氏体组织,随着径向环旋转速度的增加,接头的冲击韧性逐渐下降。当用P460NL1钢作径向环时,研究径向环厚度对接头性能的影响,结果表明,径向环厚度对接头的抗拉强度没有任何影响;但厚度越大,接头及热影响区的贝氏体含量越少,接头冲击韧性越大。

径向摩擦焊在工业生产中的应用一方面需要成熟的工艺,另一方需要可靠的焊接装备。径向摩擦焊装备的研发是径向摩擦焊技术在实际生产中应用的物质条件,特别是大吨位的径向摩擦焊机是促进径向摩擦焊在油气储运行业应用的基础,也是未来径向摩擦焊装备研发的发展方向。

结语

对于不易旋转的长管道以及管一管套接等零部件的连接,径向摩擦焊具有无可比拟的优势,但径向摩擦焊在基础研究和应用开发方面均远远落后于轴向摩擦焊。过去轴向摩擦焊的基础研究对径向摩擦焊的基础研究提供了很好的基础和借鉴。通过数值模拟技术对径向摩擦焊物理本质深入研究,将会促进径向摩擦焊工艺及装备的研发。径向摩擦焊装备的研发是径向摩擦焊技术在实际生产中应用的物质条件,特别是大吨位的径向摩擦焊机是促进径向摩擦焊在油气储运行业应用的基础,也是未来径向摩擦焊装备研发的发展方向


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