摩擦焊形变热处理系统的研究与开发

齐秀滨，秦国梁，周 军

(1.机械科研研究院 哈尔滨焊接研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.山东大学 现代焊接技术研究所，山东 济南 250061)

摩擦焊形变热处理系统的研究与开发

齐秀滨1，秦国梁2，周 军1

(1.机械科研研究院 哈尔滨焊接研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.山东大学 现代焊接技术研究所，山东 济南 250061)

针对目前石油钻杆摩擦焊接头塑韧性差、生产效率低等问题，根据石油钻杆摩擦焊接过程的特点和形变热处理原理，提出了石油钻杆形变热处理摩擦焊工艺，实现了摩擦焊接过程和形变热处理过程的统一。通过改装基于自主研发的摩擦焊机主轴系统，设计研制了形变热处理装置、控制系统以及回火系统，开发了具有形变热处理功能的混合型摩擦焊机。基于PLC控制器开发的形变热处理摩擦焊控制系统，对摩擦焊接过程和形变热处理过程协调控制，很好地实现了摩擦焊接和摩擦焊后形变淬火过程的自动控制。试验结果表明，摩擦焊形变热处理石油钻杆接头的力学性能指标均符合并高于中国石油标准SY／T5561-1999，大大减小了焊接热影响区的尺寸。

摩擦焊；形变热处理；石油钻杆

0 前言

摩擦焊是目前石油钻杆焊接生产的关键工艺，但在石油钻杆的使用过程中，还存在着焊缝焊接质量差、接头性能大幅度下降等问题。按API(American Petroleum Institute，美国石油学会)标准要求，G105以上材料钢级的石油钻杆要求钻杆整体采用调质的热处理组织状态，而摩擦焊接的热循环峰值温度为1 100℃～1 200℃，焊后空冷相当于正火处理，因此单独依靠摩擦焊工艺很难满足API标准关于石油钻杆金相组织以及强韧性的要求。不少G105以上材料钢级的石油钻杆焊后因接头性能低，经常发生事故，主要原因归结为摩擦焊接头韧性有较大降低和焊后局部热处理热影响区边界硬度、强度下降等两方面问题。因此，石油钻杆的摩擦焊接一般都要采用焊后热处理来提高其强度和韧性。

目前，国内外钻杆生产厂家，为了将摩擦焊接头组织恢复到调质热处理组织状态普遍采用美国的专利技术，即摩擦焊接后经感应加热退火(去飞边)+调质(淬火+回火)。对焊接石油钻杆来说，焊后热处理都是对焊接头进行局部热处理，这样又引发了焊后热处理热影响区边界过回火区硬度下降。因此，焊后热处理恢复接头韧性是以降低热处理边界硬度为代价的，而热处理边界硬度低往往成为新的危险断面，实践也证明摩擦焊石油钻杆破坏也普遍发生在这个区域。大量的试验研究和生产实践证实，这套工艺只能部分恢复接头韧性，而无法在不降低接头强度的前提下使摩擦焊接头韧性达到或接近母材水平[1-7]。

从目前石油钻杆热处理的研究和应用现状来看，当前的一些热处理工艺已经很难满足日益发展的深层井对石油钻杆强度和韧性的要求，开发新的热处理工艺已成为石油钻杆制造技术亟待解决的关键问题。根据摩擦焊和形变热处理的特点，将摩擦焊和形变热处理技术有机结合起来，利用刹车能耗和焊接余热进行形变热处理，充分挖掘摩擦焊接过程自身具有的形变与相变双重强韧化的潜力，开发石油钻杆摩擦焊形变热处理工艺，以达到用单一方法无法得到的石油钻杆综合力学性能，开辟了一条石油钻杆摩擦焊的新途径。

1 摩擦焊形变热处理工艺的可行性

1.1 高温形变热处理特性和参数

高温形变热处理首先将钢材或零件加热至稳定奥氏体区保温，获得均匀的奥氏体组织，然后在该温度下进行高温塑性形变，通过控制高温形变的方法和形变参数以获得所需的形变后、相变前的奥氏体组织，最后通过控制形变奥氏体的冷却过程得到所需的组织和性能，是一种将成形工艺与获得最终性能统一起来的复合强韧化处理方法[8-9]。高温形变热处理在提高钢材强度的同时大大改善其塑性、韧性，减少脆性，显著改善了钢材的抗冲击、耐疲劳能力，降低了脆性转变温度和缺口敏感性。

高温形变热处理强韧化机理是位错强化、析出强化、亚结构强化和相变强化的综合结果，尤其是亚结构强化起着决定性作用[10]。通常高温形变后，形变奥氏体处于由加工硬化状态到完全再结晶状态的一系列状态，若处于加工硬化状态，则淬火后可在塑性、韧性变化不大的情况下大为强化；若处于完全再结晶状态，则性能取决于再结晶晶粒大小；若处于部分再结晶状态，则性能取决于再结晶百分数。因此高温形变热处理的过程控制要求比普通热处理更加严格，其效果取决于能够决定高温形变热处理后组织的工艺参数，尤其是高温形变参数(决定形变后奥氏体状态)和冷却过程(最终决定材料的组织和性能)的控制。影响高温形变热处理效果的参数主要有：

(1)奥氏体化温度与形变温度：奥氏体化温度应控制在使碳化物完全溶解，而晶粒又不至于过分粗大为宜，一般为950℃～1 150℃。

(2)形变量与形变速度。通常认为，高温形变热处理的最佳形变量为25%～45%。一般来说，为了高温形变热处理后能获得多边化亚结构，大断面零件为了形成亚结构，应选取很小的形变速度。在大形变速度下，若形变温度高，则容易发生动态再结晶；若形变温度低，则可能来不及进行多边化过程。

(3)形变后淬火前的停留时间。为了获得最佳机械性能，必须确定形变终止后至淬火前的适宜停留(或保温)时间。对于高合金钢，研究表明，其奥氏体抵抗再结晶过程的能力很强，致使中高合金钢形变刚结束时还处于热加工硬化状态，为了发生多边化，根据不同情况，形变后进行适当的保温也是合理的。

(4)淬火、回火温度。由于碳素钢和低合金钢的淬透性较差，可以采用提高淬火温度来获得最大相变强化效果，但由于再结晶充分发展而使得形变强化效果减弱。另外，由于高温形变热处理时形成的亚结构非常稳定，回火抗力明显提高，为了获得与常规热处理相同的硬度，回火温度应提高30℃～50℃。

1.2 连续驱动摩擦焊接过程的特点

连续驱动摩擦焊是应用最广泛、技术相对比较成熟的摩擦焊接工艺。在整个摩擦焊接过程中，待焊金属表面经历了从低温到高温的摩擦加热，连续发生了塑性变形、机械挖掘、粘接和分子连接的过程变化，形成了一个存在于全过程的高速摩擦塑性变形层，摩擦焊接时的产热、变形和扩散现象都集中在变形层中。在停车阶段和顶锻焊接过程中，摩擦表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了质量良好的焊接接头。在这个伴随摩擦加热、高温形变及连续冷却的热力循环过程中，热循环峰值温度为1 100℃～1 200℃，具有压力加工、焊接、热处理联合作用的特点，符合高温形变热处理的条件。

摩擦焊接过程既是焊接过程的实现，同时又是为形变热处理进行热循环的准备和形变过程，摩擦焊工艺单从强化效果上看已大大超过了使用要求，如果再加强形变与相变对韧性方面的有利影响，就可以得到高水平的强韧化接头。

1.3 高温形变热处理在摩擦焊接过程中应用的可行性

在过去的摩擦焊技术研究中，由于忽视了形变强化与相变强化的双重作用，没有有意识地挖掘这种双重作用的潜力。在高温形变与相变过程中形成的摩擦焊接头，具备高温形变与相变的双重作用，焊缝及其附近强度由于形变强化作用明显高于母材。关键是通过调整摩擦焊工艺规范、适当地控制形变温度与相变温度，实现形变强化与相变强化的统一。充分挖掘摩擦焊接过程自身具有的形变与相变双重强韧化的潜力，把摩擦焊高温形变引入的大量位错、镶嵌结构等用形变淬火牢固钉扎住，即通过摩擦焊接过程具备的高温形变、焊接和焊缝细晶奥氏体化准备过程，焊接顶锻保持使热形变组织中获得发展完全的亚结构，从而要求在动态回复完成而动态再结晶尚未开始时停止形变，而在静态回复完成且静态再结晶尚未开始时对摩擦焊焊缝进行淬火处理，实现摩擦焊接过程和形变热处理过程的统一。

对于摩擦焊接过程和形变热处理过程的统一，关键在于对焊接过程的控制以及两个过程的协调。通过利用计算机控制技术在各种时间、温度检测传感器的配合下完全可以实现摩擦焊接过程和形变热处理过程的协调控制，实现摩擦焊接头的高温形变热处理。

2 摩擦焊形变热处理装置机械设计

连续驱动摩擦焊接过程中刹车消耗掉大部分主轴转动惯量，只有少部分用于焊接区的形变，降低刹车减速度可促进接头形变，优化形变条件即可通过配比合适的转动惯量最终取消刹车。可见，利用刹车能耗反而可用较低的形变力获得最佳的形变条件，为此对连续驱动摩擦焊机主轴系统进行相应改造。此外，还需要在摩擦焊机的基础上设计形变热处理设备和回火处理设施。

2.1 形变热处理摩擦焊机主轴系统构成

与连续驱动摩擦焊机主轴系统一样，具有形变热处理功能的混合型摩擦焊接主轴系统回转支承同样采用两套单列圆柱滚子轴承分布两端的结构来保证主轴的旋转精度和焊接时摩擦扭矩产生的径向力要求。焊机快速顶锻瞬间产生的轴向力通过两套推力调心滚子轴承来承载，一套采用固定安装，另一套采用平衡油缸活动安装，每个轴承只承受一半轴向力。装配时通过螺母将轴承预紧。主轴的旋转通过离合器来实现，离合器采用圆锥离合器，由离合油缸带动离合器沿花键套往复运动，当离合器和皮带轮接合时带动主轴转动来实现可靠的动力传递；脱开时，主轴在顶锻力的作用下刹车。

2.2 摩擦焊形变热处理装置的机械设计

形变热处理在高温变形之后需要立即对工件进行淬火处理以及回火处理，需要在摩擦焊接头位置上设计添加淬火设备以及回火处理设备，包括淬火介质的储存容器和输运线路、喷施装置以及回火加热装置。

2.2.1 淬火介质

淬火介质主要有液态介质、气态介质以及液-气雾化介质，液-气雾化介质的冷却物理过程与浸没式冷却介质不同。在一般浸没式淬火中，冷却介质(如水、油等)具有物态变化过程：高温灼热工件浸入这类介质中，工件四周的液体迅速达到沸点而汽化，在工件表面形成一层气化膜，这层气化膜将工件与液体介质隔开，由于汽化膜是热的不良导体，严重地妨碍热传导，使淬火工件冷却速度减缓。而在液-气雾化介质冷却过程中，汽化后的介质被迅速排除，未气化的介质被新的高速雾粒冲刷掉，因而难以形成稳定的气化膜，在液-气雾化介质冷却过程中不存在浸没式淬火中慢冷的汽化膜冷却阶段。另外，喷洒在淬火部位的雾粒停留时间很短，液体来不及过热，所以冷却烈度增强而又比较均匀。

因此，石油钻杆摩擦焊形变热处理淬火介质选择液-气雾化介质，并通过合适的储存、输运、喷施装置调节液体和气体的压力、流量、喷嘴至冷却表面的距离来获得理想的冷却特性。

2.2.2 淬火介质储存设备和运输线路

形变热处理装置根据摩擦焊过程的形变热处理工艺对淬火的实际要求，设计了一套液-气雾化介质的淬火装置，其原理如图1所示。

设计的可调喷嘴将压缩空气吹到与其成一定角度的液体流束上，使液体破碎并改变运动方向，形成与空气混合的雾粒，随着大量雾粒高速喷洒在灼热的焊缝区，迅速汽化带走大量热量，焊缝区迅速冷却。当冷至HCCT图鼻温区以下后减少乃至切断液体。降低冷却烈度，把喷雾变成喷气，以保证马氏体在较慢的冷速下转变，以防止产生淬火裂纹。经一段时间，当完成马氏体转变后停止喷气，最后变为空冷。

图1 形变热处理淬火装置示意

2.2.3 淬火介质的喷施装置

介质喷施装置是由液体和气体两个相互密闭的喷施环组焊而成，在喷施环圆周12等分上指向圆心安装了12个介质喷嘴，喷嘴是自主研制的产品。

喷嘴设计了液体和气体两条运行通道，混合前是相互密闭的，液体通过喷施环进入喷嘴阀芯内环，气体通过喷施环进入喷嘴阀芯外环，压缩空气通过阀芯环形隙缝以一定角度射出，利用高速气体流把阀芯内环喷出的液体不断地打碎带走。以液气混合形式通过一定尺寸斜孔的隔板，使液气混合介质的颗粒进一步减小。颗粒细小的液气混合介质以一定的速度喷施在一定角度放入喷嘴锥面上，再经一定尺寸的孔压缩后将液气混合介质变成雾状液气混合物。淬火介质喷施装置如图2所示。

图2 摩擦焊形变热处理淬火介质喷施装置

淬火介质喷施装置可以通过摩擦焊接专家系统根据焊件材料、直径、壁厚、面积来改变液体与气体的压力、流量以及喷嘴至冷却表面的距离以获得理想的冷却特性，很好地解决了不同材料、不同厚壁的接头淬透性问题。另外，此装置移动部分安装在直线导轨上，具有操作方便、移动灵活的特点。

由于摩擦焊形变热处理工艺不再对摩擦焊接头进行焊后加热淬火，也就不存在重复热处理使热影响区边界硬度下降的不良后果，而焊接热影响区通过形变区扩大而被完全覆盖，其形变强化效应可完全抑制硬度下降造成的边界软化。

2.2.4 回火装置的设计

回火系统采用中频感应加热，如图3所示。通过红外测温仪中的光纤测温探头检测回火温度信号，并与感应加热电源形成闭环控制，以确定保温温度范围。当时间继电器设定的保温时间到时，控制系统关闭中频电源，实现对焊缝的回火温度闭环控制。

图3 摩擦焊形变热处理回火装置

3 形变热处理与焊接过程的协调控制

摩擦焊形变热处理的加热过程是通过摩擦焊本身的焊接过程实现的，摩擦焊接过程既是焊接过程的同时又是为形变淬火进行热循环的准备过程，既要满足摩擦焊工艺本身对热循环要求的同时又要满足形变淬火对热循环的要求，既满足摩擦焊焊缝强韧性要求的同时又要求焊缝的加热组织是均一稳定的细晶奥氏体组织，作到正火区和不完全正火区域尽可能窄。在这个前提下，要求形变热处理控制系统与摩擦焊控制系统必须协调一致。在摩擦焊接后适时对接头进行形变淬火，且淬火时机和淬火参数可由计算机控制系统根据工件材料、尺寸和壁厚进行调整。

基于PLC控制器设计了开发了摩擦焊后形变热处理控制系统，并与摩擦焊接过程实现了协调控制。由计算机编制PLC控制程序传输给PLC控制器，PLC控制器按计算机编制的程序实现摩擦焊接和摩擦焊后形变淬火过程的自动控制。同时PLC控制扩展模块实现摩擦焊接和摩擦焊后形变淬火过程的转速、压力、位移、时间等参数的数据采集再传输给计算机，充分发挥了PLC机较高的抗干扰能力，避免了计算机参数采集和控制抗干扰能力差的缺点。

开发的形变热处理摩擦焊控制系统，集合了摩擦焊接过程控制、形变淬火过程控制、焊接过程数据采集、摩擦焊机运行及系统状态诊断、信息综合管理等功能，很好地实现了摩擦焊接和摩擦焊后形变淬火过程的自动控制。

4 试验验证

石油钻杆管体选择调质态37CrMnMo5″G105钢级管材，接头材料采用42CrMoA锻件调质钢。摩擦焊形变热处理后焊缝组织为完全淬透的马氏体组织，如图4a所示，热影响区与母材界面处为不完全淬火区，金相组织为细晶马氏体+铁素体+少量贝氏体。37CrMnMo侧不完全淬火区宽度约0.6 mm，42CrMoA侧不完全淬火区宽0.3 mm，如图4b所示。

接头屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别达到765 MPa、845 MPA和15%，都明显高于中国石油标准SY／T5561-1999，接头的冲击韧性更是达到了95 J的平均值，远高于标准值20 J。接头的力学性能指标均符合且高于中国石油标准SY／T5561-1999。

5 结论

通过分析高温形变热处理的条件和连续驱动摩擦焊接过程特点，提出了将高温形变热处理应用于石油钻杆的摩擦焊后热处理。通过改装原有摩擦焊机主轴系统，设计研制了形变热处理装置和控制系统以及回火系统，开发了具有形变热处理功能的混合型摩擦焊机。基于PLC控制器开发的形变热处理摩擦焊控制系统，对摩擦焊接过程和形变热处理过程进行协调控制，集合了摩擦焊接过程控制、形变淬火过程控制、焊接过程数据采集、摩擦焊机运行及系统状态诊断、信息综合管理等功能，很好地实现了摩擦焊接和摩擦焊后形变淬火过程的自动控制。试验表明，摩擦焊形变热处理石油钻杆接头的力学性能指标均符合且高于中国石油标准SY／T5561-1999，大大减小了焊接热影响区的尺寸。

图4 摩擦焊形变热处理接头形貌

[1]许潇红，许维胜.钻杆焊缝热处理温控系统的建模及实现[J].控制工程，2005，12(3)：244-247.

[2]张 浩，唐俊强，梁晓辉.提高钻杆接头冲击功的工艺方法[J].热加工工艺，2006，35(20)：77-78.

[3]党峰君.对焊钻杆热处理监控系统的应用[J].石油天然气学报，2008，30(2)：605-606.

[4]胡荣生，朱世忠.钻杆生产线焊缝热处理冷却系统技术改造研究[J].宝钢技术，2000(3)：36-39.

[5]胡荣生，刘开源.石油钻杆焊缝喷雾热处理[J].金属热处理，1999，24(10)：18-20.

[6] TUMULURE M D.A parametric study of inertia friction welding for low alloy steel popes[J].Welding Journal，1984，63(9)：289-294.

[7]毛信孚，傅 莉，尚高锋，等.S135钻杆摩擦焊接头热处理后的组织和性能[J].金属热处理，2004，29(12)：22-26.

[8]徐宗瑞，石 霖.关于高温形变后奥氏体的分解及沉淀相的分析[J].兵器材料科学与工程，1985(s1)：16-25.

[9]王泾文.高温形变热处理及其应用[J].安徽机电学院学报，2000，15(1)：1-9

[10]姚忠凯.形变热处理基础理论研究的进展[J].佳木斯工学院学报，1988(1)：55-67.

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

国家自然科学基金资助项目(51075174)

齐秀滨(1965—)，女，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，主要从事机器人焊接及其仿真技术、焊接工艺装备的开发与设计、激光焊接与切割工艺装备的研究，参加国家“八五”“九五”科技攻关计划重点项目等项目。