浅析连续驱动摩擦焊接工艺在开发重型钎杆中的应用

2017-05-11杨华军

凿岩机械气动工具 2017年4期

杨华军

（首钢贵阳特殊钢有限责任公司，贵州贵阳 550005）

0 前言

摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，当时美国批准了这种焊接方法的第一个专利。该专利是利用摩擦热来连接钢缆。随后德国、英国、苏联、日本等国家先后开展了摩擦焊接的生产与应用。我国是世界上研究摩擦焊接最早的国家之一，早在1957年就实验成功了铝-铜摩擦焊。多年来，摩擦焊接以其优质、高效、节能、无污染的技术特色，深受制造业的重视，特别是不断开发出摩擦焊接的新技术，如超塑性摩擦焊接、线性摩擦焊接、搅拌摩擦焊接等，使其在航空、航天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业部门得到了愈来愈广泛的应用。

随着液压凿岩机功率不断加大，钻孔直径也随着加大，肩冲式钻具和管式钻具的使用量也逐渐扩大。同时，随着连续驱动摩擦焊工艺技术的不断成熟，其在长杆件及不同部位性能要求不同的零件加工上发挥出的优势越来越大。目前，国外Sandvik公司和Atlas公司将连续驱动摩擦焊接技术应用在液压凿岩机用重型快换钎杆和导向钎杆的加工中，取得了良好的效果。通过采用连续驱动摩擦焊接工艺，降低了两端螺纹的加工难度，提高了两端螺纹的加工质量，同时对不同零件的不同部位采用不同的材料及不同的热处理工艺，使钎杆凿岩寿命提高的同时降低了钎杆成本。采用连续驱动摩擦焊技术加工的产品范围不断扩展，目前几乎所有采用圆形中空钢作为素材的重型钎均采用了连续驱动摩擦焊接工艺。为此Sandvik、Atlas等国外厂家采用连续驱动摩擦焊接工艺在市场上推出了高品质重型快换钎杆以及提高钻孔直线度的导向钎杆等系列钻具。为满足市场需求，提高企业的综合配套能力，采用连续驱动摩擦焊接工艺开发高品质重型快换钎杆以及导向钎杆系列产品迫在眉睫。

1 连续驱动摩擦焊接工艺实施分析及应用

1.1 连续驱动摩擦焊接的工作原理

连续驱动摩擦焊接是先进的材料连接技术和制造技术，其工作原理见图1，在生产过程中通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具在主油缸压力P1的作用下随滑台一起向旋转端快速移动，移动至一定距离后开始按系统给定的工进速度移动，旋转端工件在电机驱动下开始高速旋转，移动工件在轴向力P1的作用下逐步向旋转工件靠拢，两侧工件接触并压紧后，摩擦界面上一些微凸体首先发生粘接与剪切，并产生摩擦热。随着实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面处温度也随之上升，摩擦界面渐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。此时，两侧工件的相对运动实际上已发生在这层粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶冶金反应，使变形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度（前峰值扭矩）后逐渐降低。随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧温度亦逐渐升高，在轴向摩擦压力P2作用下，焊合区金属发生径向塑性流动，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。随着摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，温度分布区逐渐变宽，飞边逐渐增大，此阶段称之为稳定摩擦阶段。在此阶段，摩擦压力与转速保持恒定。当摩擦焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，开始刹车制动并使轴向摩擦力P2迅速升高到所设定的顶锻压力P3，此时轴向缩短量急骤增大，并随着界面温度降低，摩擦压力增大，摩擦扭矩出现第二个峰值，即后峰值扭矩。在顶锻及顶锻后保压过程中，焊合区金属原子通过相互扩散与再结晶冶金反应，使两侧金属牢固地焊接在一起，随后旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，焊接过程结束。在整个焊接过程中，摩擦表面金属的塑性变形与流动，防止了金属的氧化，促进了焊接金属原子间的相互扩散与再结晶冶金反应；摩擦界面温度一般不会超过熔点，故摩擦焊是固态焊接。它是一种固态连接技术，其焊合区为锻造组织，故又称“锻焊”。

图1 连续驱动摩擦焊工作原理

1.2 连续驱动摩擦焊接工艺的特点

(1)优质。摩擦焊合区为锻造组织，能获得与母材等强乃至比母材超强的接头；(2)高效。每件焊接时间以秒计，一般只需几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；(3)节能、节材、低耗。不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；(4)焊接性好，质量稳定。特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜的摩擦焊接等等；(5)环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线；(6)可以实现同直径、不同直径的管材和棒材的焊接。

1.3 提高中空钢成材率，降低生产成本

目前国内生产厂家采用“钻孔法”轧制的中空钢芯孔都呈椭圆形，芯孔尺寸大小不一，轧制成材率较低。由于生产重型钎对原材料中空钢的几何尺寸要求较高，每次生产重型钎之前都要对原材料中空钢进行分选，在没有采用连续驱动摩擦焊接工艺之前，芯孔太偏的中空钢都不能用于生产重型钎，直接当废钢回收；还有对于分选合格的中空钢在下料过程中也会产生不合尺寸的短料，也只能当废钢回收。但是采用连续驱动摩擦焊接工艺以后基本上全都能利用起来，因为我们通过大量的矿山试验证明，重型钎的主要失效形式是螺纹磨损后螺纹根部产生疲劳裂纹断裂，杆体磨损后一般不会断裂，所以钎杆在使用过程中对杆体强度要求不是很高。因此我们可以采用偏芯料用作杆体，用孔比较正的中空钢来加工螺纹，最后通过采用连续驱动摩擦焊接工艺将它们焊接在一起，再经过后面的后续热处理工艺以及矿山试验，结果证明是完全能够达到重型钎的生产工艺要求的，从而降低了生产成本，提高了中空钢成材率。

1.4 连续驱动摩擦焊接工艺的应用

目前我国的连续驱动摩擦焊接工艺应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的大截面管件，不仅可焊接钢、铝、铜等同种材料，而且还成功焊接了高温强度级相差很大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶脆性化合物的异种金属。如高速钢与碳钢、耐热钢与低合金钢、高温合金与合金钢、不锈钢与低碳钢、不锈钢与电磁铁、铜与铝等。

2 连续驱动摩擦焊接接头的结构与工艺设计

2.1 连续驱动摩擦焊接接头设计时应注意以下

几点：

（1）在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。

（2）焊接工件应具有较大的刚度，夹紧牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。

（3）同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。

（4）在锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的工件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。

（5）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接接头。

（6）焊接大断面接头时，为了降低加热功率峰值，可以采用将焊接端面倒角，使摩擦面积逐渐增大的结构；还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。

（7）对于棒-棒和棒-板接头，当中心部位材料被挤出形成飞边时要消耗更多的能量，而焊缝中心部位对扭矩和弯曲应力的承担又很少，所以，如果工件条件允许，可将一个或两个零件加工成具有中心孔洞，这样，既可用较小功率的焊机，又可提高生产率。

（8）待焊表面应避免渗氮、渗碳等。

2.2 重型快换钎杆的结构与工艺设计

经过多次矿山试验，重型快换钎杆的失效形式主要以螺纹磨损后螺纹根部产生疲劳裂纹断裂失效为主，而非螺纹正常磨损失效，只有少部分钎杆从螺纹和杆体处疲劳断裂。所以为了提高重型快换钎杆的使用寿命和凿岩效率，必须对重型快换钎杆的结构与工艺进行设计：杆体采用22CrNi3Mo中空钢，两端螺纹采用材质为22CrNi3Mo芯孔较正的中空钢加工，焊接端面采用加工存留槽的结构，见图2，由于两端螺纹采用短件加工，可以提高机加工的主轴转速和进给速度，使其获得较高的加工效率和表面光洁度；杆体采用加工存留槽的结构，最后通过连续驱动摩擦焊接工艺将它们焊接在一起。其主要工艺规程为：轧制中空钢→粗、精加工杆体及两端螺纹→摩擦焊接→焊后正火、低温回火→车外卷屑→渗碳热处理→防腐处理。

图2 重型快换钎杆的结构

2.3 导向钎杆的结构与工艺设计

导向钎杆要求钎杆内外两端中心孔小，杆体中心孔较大的设计结构见图3，这种中心孔变径结构采用常规中空钢轧制工艺很难实现，用连续驱动摩擦焊接工艺将两端接头与杆体焊为一体的方式是最合理的工艺。其主要工艺规程为：轧制中空钢、实心棒料或镦粗料→粗、精加工杆体端面及两端螺纹→摩擦焊接→焊后正火、低温回火→车外卷屑→渗碳热处理→防腐处理。

图3 导向钎杆结构

3 重型快换钎杆以及导向钎杆的摩擦焊接工艺参数制定

3.1 连续驱动摩擦焊接主要工艺参数

连续驱动摩擦焊接主要工艺参数为：主轴转速、一级摩擦压力、一级摩擦时间、二级摩擦压力、二级摩擦时间、顶锻压力、顶锻时间、工进与快进速度、旋转夹紧油缸的压力，移动夹具夹紧油缸的压力及变形量等。其中转速和摩擦压力是最主要的工艺参数，在焊接过程中，转速与摩擦压力直接影响摩擦转矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑形层厚度以及摩擦变形速度等。在焊接过程中所产生的摩擦加热功率为：

式中P——摩擦加热功率

μ——摩擦系数

k——系数

ρ——摩擦压力

v——摩擦相对运动速度

3.2 摩擦焊接工艺参数制定

为了得到质量较好的焊接接头，目前还没有通用的计算公式来确定摩擦焊接工艺参数，主要是通过试验的方法制定。我们采用的是初步确定参数，然后根据多次模拟运行情况和焊接后的飞边形状、取样进行拉伸和冲击试验、金相检测结果分析以及矿山试验确定最终的合理工艺参数。

在实际摩擦焊接过程中，首先是确定顶锻压力，它主要是根据焊件材料的含碳量和硬度选择，在实际工作中要根据该值换算到主油缸的压力表显示的表压值进行调定，主油缸所需的表压力按下述公式计算：

式中P——主油缸后腔压力，MPa

P3——焊件顶锻压强，N／mm2

A——焊件焊接截面积，mm2

S——主油缸后腔面积，mm2

K——常数(考虑空动阻力而增加的表压力数，大约为0.3-0.5MPa)

通常情况下，碳钢顶锻压强在 100－260 N／mm2，顶锻压强P3是摩擦压强P1的1.5-2倍。按上述计算公式，实际工作中我们采用摩擦焊接工艺焊接了20支R52×3660-T51快换钎杆，两端螺纹采用材质为22CrNi3Mo芯孔较正的轧制中空钢加工，杆体为轧制中空钢，根据焊接卷边是否均匀及热影响区的颜色，最后调整其焊接参数为：一级摩擦压力P1为2.5 MPa，一级摩擦时间 t1为 1.5 s；二级摩擦压力 P2为 3.5 MPa，二级摩擦时间t2为3 s；顶锻压力P3为5 MPa，顶锻时间t3为6 s。其工艺规程为：轧制中空钢、实心棒料或镦粗料→粗、精加工杆体及两端螺纹→摩擦焊接→焊后正火、低温回火→车外卷屑→渗碳热处理→防腐处理。

3.3 焊前处理

（1）焊件的摩擦端面必须平整，中心部位不得有凹面或中心孔，以防止焊缝中含空气或氧化物；

（2）当焊接端面上具有较厚的氧化层、渗氮层、渗碳层、油污等时，焊前应清除；

（3）摩擦焊对焊接端面的粗糙度值要求≤12.5，端面垂直度一般小于焊件直径的1%。

4 焊接参数对焊接接头质量的影响

4.1 转速对焊接接头质量的影响

当工件直径一定时，转速代表摩擦速度。一般将达到焊接温度时的转速称为临界摩擦速度，为了使界面的变形层加热到金属材料的焊接温度，转速必须高于临界摩擦速度。一般来讲，低碳钢的临界摩擦速度为0.3 m/s左右，平均摩擦速度的范围为0.6-3m/s。

在稳定摩擦阶段，当转速为1000 r/min时，由于外圆的摩擦速度大，外侧金属的温度升高，此时，摩擦表面的温度比高速摩擦时低，摩擦扭矩和摩擦变形速度增大，并移向外圆，因此外圆的变形层较中心厚。这时变形层金属非常容易流出摩擦表面之外，形成不对称的肥大飞边。这种接头的温度分布梯度大，变形层金属容易被大量挤出，焊缝金属迅速更新，能够有效地防止氧化。

4.2 摩擦压力对焊接接头质量的影响

为了产生足够的摩擦加热功率，保证摩擦表面的全面接触，摩擦压力不能太小。在稳定摩擦阶段，当摩擦压力增大时，摩擦扭矩增大，摩擦加热功率升高，摩擦变形速度增大，变形层加厚，在压力的作用下形成粗大而不对称的飞边。摩擦压力大时，接头的温度分布梯度大，变形层金属不容易氧化。在摩擦加热过程中，摩擦压力一般为定值，但是为了满足焊接工艺的特殊要求，摩擦压力也可以不断上升，或采用两级或三级加压工艺。

4.3 摩擦时间与摩擦变形量对接头质量的影响

摩擦时间决定了接头摩擦加热过程，直接影响接头的加热温度、温度分布和焊接质量。摩擦时间短，焊接表面加热不完全，不能形成完整的塑性变形层，接头上的温度和温度分布不能满足焊接质量要求。摩擦时间过长，接头温度分布宽，高温区金属容易过热，摩擦变形量大，飞边大，消耗的加热能量多。选择摩擦时间时，一般希望在摩擦终了的瞬间，接头上有较厚的变形层或较宽的高温金属区，接头有较小的飞边；而在顶锻焊接过程中产生较大的顶锻变形量，使变形层的面积沿工件径向有很大的扩展，摩擦表面高温金属挤出，产生一定的飞边。这样整个飞边的尺寸不大，但形状封闭圆滑，有利于改善接头的焊接质量。连续驱动摩擦焊的摩擦时间通常在1～40 s之内。当摩擦变形速度一定时，摩擦变形量与摩擦时间成正比，因此常常用摩擦变形量代替摩擦时间来控制摩擦加热过程。在焊接低碳钢时，摩擦变形量可在1～10 mm的范围内选择。

4.4 停车时间对焊接接头质量的影响

由于停车时间对摩擦扭矩、变形层厚度和焊接质量有很大影响，因此应根据变形层厚度正确选择该参数。当摩擦表面的变形层很厚时，停车时间要短；当表面上的变形层比较薄时，为在停车阶段能产生较厚的变形层，停车时间可以延长。有时为了改善焊接质量，消除焊缝中的氧化物或脆性化合物层，必须增大停车时的变形层厚度。一般在停车前就施加顶锻压力，或停车时不制动。但是，要防止过大的后峰值扭矩使接头金属产生扭曲组织，通常停车时间选择范围为0.1～1s。

4.5 顶锻压力与变形量对焊接接头质量的影响

顶锻压力的作用是挤碎和挤出变形层中的氧化金属及其他有害杂质，并使接头金属在压力作用下得到锻造，促进晶粒细化，从而提高接头力学性能。顶锻变形量是顶锻压力作用的结果，如果顶锻压力太小，接头质量低；如果顶锻压力过大，会使接头变形量增加，飞边增大，严重时在焊缝金属中形成低温横向流动的弯曲组织，使接头的疲劳强度降低。

顶锻压力的大小取决于焊接工件的材料、接头的温度及分布、变形层的厚度，此外还决定于摩擦压力的大小。如果焊接材料的高温强度高，就需要大的顶锻压力。如果接头的温度高，变形层较厚，就必须采用较小的顶锻压力。

5 对摩擦焊R52×3660-T51快换钎杆渗碳热处理后进行取样分析

5.1 对摩擦焊接钎杆热处理后取样进行拉伸和冲击试验

对摩擦焊R52×3660-T51快换钎杆取样进行拉伸和冲击试验，其断裂部位见图4至图5，都没有从焊口处断裂。试验证明摩擦焊接接头强度高于母材强度。

5.2 金相组织对比分析

随炉试样金相组织见图6。

摩擦焊接试样金相组织见图7。

图4 钎杆拉伸断裂试样

图5 钎杆冲击断裂试样

图6 随炉试样金相组织

图7 摩擦焊接试样金相组织

两组试样的表层金相组织相当，马氏体、残余奥氏体的级别均为3级。

硬度对比分析见表1。

表1

两组试样的硬度均符合快换钎杆生产工艺要求

显微硬度、渗层对比分析随炉试样显微硬度曲线见图8、图9。

两组试样的显微硬度曲线坡度相当，最高和最低显微硬度值与洛氏硬度相对应；随炉试样的有效硬化层深度为1.18 mm，摩擦焊接试样的有效硬化层深度为1.13 mm，两者相差0.05 mm；均达到钎杆的生产工艺要求。

这批试生产的20支R52×3660-T51快换钎杆分两组发往矿山进行现场凿岩试验，其失效形式主要以螺纹正常磨损失效为主，少部分从杆体处疲劳断裂，没有从焊口处断裂（见图10、图11），平均进尺2205米，质量接近国外先进水平，受到了用户的好评，从而验证了采用连续驱动摩擦焊接工艺开发高品质重型钎杆的可行性。