徑向摩擦焊技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)進(jìn)展

前言　　

　徑向摩擦焊是摩擦焊技術(shù)近年發(fā)展起來(lái)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(diǎn)，適用于環(huán)狀、不易旋轉(zhuǎn)的軸對(duì)稱(chēng)零件，如長(zhǎng)管道的對(duì)接、管管套接等接頭形式，在石油與天然氣輸運(yùn)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(diǎn)，從新材料連接角度來(lái)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(wú)論被連接材料的類(lèi)型和尺寸如何，都能獲得較高效率的連接。如對(duì)中152.4-304.8 mm管徑的石油管道連接成形的時(shí)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(gè)高溫高壓下的能量轉(zhuǎn)換和冶金過(guò)程，也是一個(gè)熱-力-材料耦合過(guò)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(dòng)軸向摩擦焊、慣性摩擦焊等具有更為復(fù)雜的熱-力耦合過(guò)程和散熱條件等邊界條件，增加了焊接熱過(guò)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(duì)摩擦、焊接工件和徑向環(huán)一起達(dá)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(guò)第三體與焊接工件的摩擦

形成接頭，但第三體不達(dá)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(guò)程和熱-力耦合過(guò)程。

近些年來(lái)，隨著油氣資源勘探開(kāi)發(fā)向深層次進(jìn)軍，人們對(duì)鋼管及管道優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)的需求更加強(qiáng)烈。徑向摩擦焊以其特別適合長(zhǎng)管件優(yōu)質(zhì)高效連接的優(yōu)勢(shì)重新引起了人們的重視。文中通過(guò)分析徑向摩擦焊技術(shù)特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外對(duì)徑向摩擦焊基礎(chǔ)理論研究以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面的進(jìn)展，總結(jié)了國(guó)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(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

1　徑向摩擦焊簡(jiǎn)介

徑向摩擦焊采用一個(gè)徑向環(huán)繞著2個(gè)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(dá)到熱塑性狀態(tài)，在一定徑向力下形成牢固接頭的方法，見(jiàn)圖1，管兩端對(duì)接在一起時(shí)，兩端坡面形成了一個(gè)V形坡口，這時(shí)把2管夾緊，以防止軸向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在夾具夾持帶動(dòng)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(shí)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(kuò)張2種方式（21，見(jiàn)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(wèn)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(duì)旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬?duì)固定加壓，實(shí)質(zhì)上是利用徑向加壓來(lái)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(shí)，在管接頭處放置一個(gè)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(kuò)張環(huán)時(shí)，在管的外部安裝了一個(gè)支撐環(huán)，以防2管的焊接端在徑向擴(kuò)張力的作用過(guò)度膨脹而不能有效焊接。

徑向摩擦焊過(guò)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?xí)r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(guò)程中熱的產(chǎn)生和傳遞。徑向摩擦焊過(guò)程中，徑向力和徑向環(huán)坡面與軸線夾角的大小會(huì)影響摩擦力的大小，進(jìn)

而影響接頭質(zhì)量。如對(duì)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(jìn)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(yàn)確定的。此外，由于采用徑向加壓，焊接過(guò)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(qiáng)度不斷提高，這個(gè)力是不可忽視的；若用開(kāi)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(wèn)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(gè)涉及高溫高壓、熱-力-材料復(fù)雜多相場(chǎng)耦合過(guò)程。因此，在建立精確數(shù)學(xué)模型方面存在較大的困難。而摩擦焊過(guò)程中熱-力-材料耦合是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，該問(wèn)題的研究對(duì)揭示徑向摩擦焊機(jī)理、對(duì)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(jìn)焊接裝備均有重要的作用。

但由于焊接過(guò)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(cè)措施。為了研究這些焊接過(guò)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(jiǎn)介在早期的摩擦焊溫度場(chǎng)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(jì)算，得到摩擦界面上的熱輸人功率。

20世紀(jì)60-70年代，人們主要采用有限差分法對(duì)軸向摩擦焊溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)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(jìn)了數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使得問(wèn)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，得到了與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好的計(jì)算結(jié)果，使摩擦焊過(guò)程中熱-力耦合的物理本質(zhì)得到了初步研究。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著對(duì)摩擦焊產(chǎn)熱模型的改善、摩擦焊熱過(guò)程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，軸向摩擦焊基礎(chǔ)研究進(jìn)人了更加深人的熱-力耦合作用階段，對(duì)不同摩擦階段的產(chǎn)熱、產(chǎn)熱效率進(jìn)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(dòng)摩擦焊的產(chǎn)熱估計(jì)。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(bǔ)了早期對(duì)摩擦焊參量場(chǎng)的模擬主要集中

在溫度場(chǎng)而忽略熱-力耦合作用的不足。

但在摩擦焊數(shù)值模擬過(guò)程中，焊接區(qū)域高溫粘塑性金屬的熱力學(xué)數(shù)學(xué)建模一直是個(gè)難題，由于其具有高溫、大變形、高應(yīng)變速率等特征，給試驗(yàn)研究帶來(lái)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(xué)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(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)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(guò)程中，摩擦熱使金屬達(dá)到塑性狀態(tài)，將其視為粘度很大的粘性流體。粘性流動(dòng)模型可以更好地描述鋼管連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接階段材料的流場(chǎng)11

（3）超塑性體模型（16]在摩擦焊過(guò)程中，如果焊接區(qū)能夠達(dá)到超塑性狀態(tài)，可使工件摩擦面流動(dòng)性增加，更易連接在一起。前蘇聯(lián)一些科學(xué)家在研究高速鋼-45鋼，Ni-Ni，Cu-Cu摩擦焊時(shí)，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(dòng)阻力與應(yīng)變速率密切相關(guān)。事實(shí)上，摩擦焊能量轉(zhuǎn)換是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，目前缺乏相關(guān)的理論和試驗(yàn)支持。由于摩擦焊通常在高溫下進(jìn)行，工件在發(fā)生變形的同時(shí)伴隨有溫度的變化，摩擦焊過(guò)程的數(shù)值模擬必須考慮溫度的影響，即需要進(jìn)行溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)的耦合計(jì)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(duì)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(jìn)行的，有關(guān)徑向摩擦焊熱源模型分析的報(bào)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(ài)明["）對(duì)純銅與合金鋼徑向摩擦焊的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)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(zhǔn)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(xué)性能隨溫度變化；應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谖⑿〉臅r(shí)間內(nèi)增量線性變化：熱源集中于基準(zhǔn)面上；不考慮相變影響，材料無(wú)論在任何溫度下均是固體。

胡建181通過(guò)3維有限元分析建立了徑向摩擦焊中

徑向環(huán)的簡(jiǎn)化夾持模型。采用了從試驗(yàn)測(cè)得的速度曲線反推得到的平均摩擦系數(shù)。此文獻(xiàn)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(wú)擋塊作用時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)彈體的徑向摩擦焊，焊接質(zhì)量更高。也就是說(shuō)，徑向摩擦焊施加擋塊頂力是很有必要的。計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從試驗(yàn)角度證明計(jì)算結(jié)果是正確的，實(shí)現(xiàn)了定性匹配。

2010年，王高見(jiàn)等人[1]對(duì)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(shí)發(fā)生的相變潛熱；忽略焊接過(guò)程中媒件材料因變形而產(chǎn)生的熱量；假定沒(méi)有熱損失，焊件界面摩擦力所做的功全部轉(zhuǎn)化為生成熱?；谶@3個(gè)假設(shè)，對(duì)徑向摩擦焊夾持模型進(jìn)行了3維有限元分析，無(wú)擋板作用時(shí)，應(yīng)力分布較集中，最高應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)渡套夾持處；有擋板作用時(shí)，應(yīng)力分布均勻，最高應(yīng)力并未在過(guò)渡套夾持處。因此，隨著過(guò)渡套上夾持力的增加，無(wú)擋板作用時(shí)，應(yīng)力集中加劇，限制了過(guò)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(duì)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(guò)程中接頭應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律及其溫度場(chǎng)的耦合機(jī)制的深入研究，這也是深入分析徑向摩擦焊物理機(jī)制、調(diào)控焊接質(zhì)量、開(kāi)發(fā)徑向摩擦焊裝備的基礎(chǔ)。

3徑向摩擦焊的應(yīng)用

國(guó)外徑向摩擦焊技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)70年代中期。海底輸運(yùn)管道鋪設(shè)中，由于海底殘酷的工作環(huán)境，對(duì)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(kāi)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(dòng)摩擦焊機(jī)上實(shí)現(xiàn)了管道的徑向壓力焊。在上世紀(jì)90年代，石油行業(yè)的低迷降低了對(duì)徑向摩擦焊技術(shù)的需求，從而使其研發(fā)陷于停滯。進(jìn)入21世紀(jì)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(yùn)管道的建設(shè)，如國(guó)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(yùn)等都急需管道高效連接技術(shù)，徑向摩擦焊因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(guó)采用軸向加壓徑向摩擦焊已完成摩托車(chē)離合器盤(pán)組合件裝配，并用于實(shí)際生產(chǎn)。

徑向摩擦焊另外一個(gè)重要應(yīng)用是兵工行業(yè)中彈帶焊接。美國(guó)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(diǎn)，美國(guó)的MTT公司于20世紀(jì)90年代初焊出模擬樣品。美國(guó)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(guó)TWI也開(kāi)展了類(lèi)似的研究。中國(guó)也將該工藝的研究列入了“八五”

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

25特種摩擦焊機(jī)"，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)能完成徑向、軸向的慣性、連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊等多種工藝及小批量生產(chǎn)的特種摩擦焊機(jī)，實(shí)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(guó)內(nèi)用于軸對(duì)稱(chēng)件的摩擦焊研究基本局限于軸向摩擦焊，國(guó)產(chǎn)商用化摩擦焊機(jī)也只有軸向摩擦焊機(jī)。迄今為止，關(guān)于徑向摩擦焊的公開(kāi)報(bào)道，研究基本處于工藝探索階段。國(guó)外對(duì)鈦合金、鋼鐵等材料的徑向摩擦焊工藝進(jìn)行了初步的研究。

Torster等人[2）對(duì)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(xué)性能做了研究，用光學(xué)顯微鏡觀察了焊接區(qū)的微觀組織，并進(jìn)行了常規(guī)拉伸測(cè)試和微型平面拉伸測(cè)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(rèn)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的B相有關(guān)。

Kwietniewski等人[23]對(duì)Ti-6Al-4V-0.1 Ru合金進(jìn)行了徑向摩擦焊的熱模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際徑向摩擦焊熱循環(huán)過(guò)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(duì)摩擦環(huán)耗材區(qū)斷裂韌性的影響。由于發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，試驗(yàn)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(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明晶粒尺寸對(duì)斷裂韌性和材料的硬度沒(méi)有影響，亦即與塑性變形量沒(méi)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(guò)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(jià)值。

旋轉(zhuǎn)速度及其尺寸對(duì)接頭組織性能的影響，并對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化。當(dāng)P355NL1鋼為徑向環(huán)時(shí)，徑向環(huán)旋轉(zhuǎn)速度越大，摩擦?xí)r間越長(zhǎng)，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(qiáng)度低于鋼管母材的拉伸強(qiáng)度，然而接頭處材料的拉伸強(qiáng)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(dāng)用P460NL1鋼作徑向環(huán)時(shí)，研究徑向環(huán)厚度對(duì)接頭性能的影響，結(jié)果表明，徑向環(huán)厚度對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度沒(méi)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(shí)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(jī)是促進(jìn)徑向摩擦焊在油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是未來(lái)徑向摩擦焊裝備研發(fā)的發(fā)展方向。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于不易旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)管道以及管一管套接等零部件的連接，徑向摩擦焊具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但徑向摩擦焊在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于軸向摩擦焊。過(guò)去軸向摩擦焊的基礎(chǔ)研究對(duì)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(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)徑向摩擦焊物理本質(zhì)深入研究，將會(huì)促進(jìn)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(shí)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(jī)是促進(jìn)徑向摩擦焊在油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是未來(lái)徑向摩擦焊裝備研發(fā)的發(fā)展方向

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