齊秀濱，秦國(guó)梁，周 軍

(1.機(jī)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(xué) 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，山東 濟(jì)南 250061)

摩擦焊形變熱處理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

齊秀濱1，秦國(guó)梁2，周 軍1

(1.機(jī)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(xué) 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，山東 濟(jì)南 250061)

針對(duì)目前石油鉆桿摩擦焊接頭塑韌性差、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，根據(jù)石油鉆桿摩擦焊接過(guò)程的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程的統(tǒng)一。通過(guò)改裝基于自主研發(fā)的摩擦焊機(jī)主軸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研制了形變熱處理裝置、控制系統(tǒng)以及回火系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了具有形變熱處理功能的混合型摩擦焊機(jī)。基于PLC控制器開(kāi)發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，對(duì)摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程協(xié)調(diào)控制，很好地實(shí)現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過(guò)程的自動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦焊形變熱處理石油鉆桿接頭的力學(xué)性能指標(biāo)均符合并高于中國(guó)石油標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)的關(guān)鍵工藝，但在石油鉆桿的使用過(guò)程中，還存在著焊縫焊接質(zhì)量差、接頭性能大幅度下降等問(wèn)題。按API(American Petroleum Institute，美國(guó)石油學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)要求，G105以上材料鋼級(jí)的石油鉆桿要求鉆桿整體采用調(diào)質(zhì)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(dāng)于正火處理，因此單獨(dú)依靠摩擦焊工藝很難滿足API標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于石油鉆桿金相組織以及強(qiáng)韌性的要求。不少G105以上材料鋼級(jí)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(jié)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(qiáng)度下降等兩方面問(wèn)題。因此，石油鉆桿的摩擦焊接一般都要采用焊后熱處理來(lái)提高其強(qiáng)度和韌性。

目前，國(guó)內(nèi)外鉆桿生產(chǎn)廠家，為了將摩擦焊接頭組織恢復(fù)到調(diào)質(zhì)熱處理組織狀態(tài)普遍采用美國(guó)的專利技術(shù)，即摩擦焊接后經(jīng)感應(yīng)加熱退火(去飛邊)+調(diào)質(zhì)(淬火+回火)。對(duì)焊接石油鉆桿來(lái)說(shuō)，焊后熱處理都是對(duì)焊接頭進(jìn)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(guò)回火區(qū)硬度下降。因此，焊后熱處理恢復(fù)接頭韌性是以降低熱處理邊界硬度為代價(jià)的，而熱處理邊界硬度低往往成為新的危險(xiǎn)斷面，實(shí)踐也證明摩擦焊石油鉆桿破壞也普遍發(fā)生在這個(gè)區(qū)域。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，這套工藝只能部分恢復(fù)接頭韌性，而無(wú)法在不降低接頭強(qiáng)度的前提下使摩擦焊接頭韌性達(dá)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(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)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(duì)石油鉆桿強(qiáng)度和韌性的要求，開(kāi)發(fā)新的熱處理工藝已成為石油鉆桿制造技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)摩擦焊和形變熱處理的特點(diǎn)，將摩擦焊和形變熱處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，利用剎車(chē)能耗和焊接余熱進(jìn)行形變熱處理，充分挖掘摩擦焊接過(guò)程自身具有的形變與相變雙重強(qiáng)韌化的潛力，開(kāi)發(fā)石油鉆桿摩擦焊形變熱處理工藝，以達(dá)到用單一方法無(wú)法得到的石油鉆桿綜合力學(xué)性能，開(kāi)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(jìn)行高溫塑性形變，通過(guò)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(guò)控制形變奧氏體的冷卻過(guò)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(lái)的復(fù)合強(qiáng)韌化處理方法[8-9]。高溫形變熱處理在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)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(zhuǎn)變溫度和缺口敏感性。

高溫形變熱處理強(qiáng)韌化機(jī)理是位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合結(jié)果，尤其是亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)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(qiáng)化；若處于完全再結(jié)晶狀態(tài)，則性能取決于再結(jié)晶晶粒大?。蝗籼幱诓糠衷俳Y(jié)晶狀態(tài)，則性能取決于再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)。因此高溫形變熱處理的過(guò)程控制要求比普通熱處理更加嚴(yán)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(guò)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(yīng)控制在使碳化物完全溶解，而晶粒又不至于過(guò)分粗大為宜，一般為950℃～1 150℃。

(2)形變量與形變速度。通常認(rèn)為，高溫形變熱處理的最佳形變量為25%～45%。一般來(lái)說(shuō)，為了高溫形變熱處理后能獲得多邊化亞結(jié)構(gòu)，大斷面零件為了形成亞結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶；若形變溫度低，則可能來(lái)不及進(jìn)行多邊化過(guò)程。

(3)形變后淬火前的停留時(shí)間。為了獲得最佳機(jī)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(shí)間。對(duì)于高合金鋼，研究表明，其奧氏體抵抗再結(jié)晶過(guò)程的能力很強(qiáng)，致使中高合金鋼形變剛結(jié)束時(shí)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(jìn)行適當(dāng)?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(lái)獲得最大相變強(qiáng)化效果，但由于再結(jié)晶充分發(fā)展而使得形變強(qiáng)化效果減弱。另外，由于高溫形變熱處理時(shí)形成的亞結(jié)構(gòu)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(yīng)提高30℃～50℃。

1.2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程的特點(diǎn)

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)相對(duì)比較成熟的摩擦焊接工藝。在整個(gè)摩擦焊接過(guò)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(jī)械挖掘、粘接和分子連接的過(guò)程變化，形成了一個(gè)存在于全過(guò)程的高速摩擦塑性變形層，摩擦焊接時(shí)的產(chǎn)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象都集中在變形層中。在停車(chē)階段和頂鍛焊接過(guò)程中，摩擦表面的變形層和高溫區(qū)金屬被部分?jǐn)D碎排出，焊縫金屬經(jīng)受鍛造，形成了質(zhì)量良好的焊接接頭。在這個(gè)伴隨摩擦加熱、高溫形變及連續(xù)冷卻的熱力循環(huán)過(guò)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(diǎn)，符合高溫形變熱處理的條件。

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

1.3 高溫形變熱處理在摩擦焊接過(guò)程中應(yīng)用的可行性

在過(guò)去的摩擦焊技術(shù)研究中，由于忽視了形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的雙重作用，沒(méi)有有意識(shí)地挖掘這種雙重作用的潛力。在高溫形變與相變過(guò)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(qiáng)度由于形變強(qiáng)化作用明顯高于母材。關(guān)鍵是通過(guò)調(diào)整摩擦焊工藝規(guī)范、適當(dāng)?shù)乜刂菩巫儨囟扰c相變溫度，實(shí)現(xiàn)形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的統(tǒng)一。充分挖掘摩擦焊接過(guò)程自身具有的形變與相變雙重強(qiáng)韌化的潛力，把摩擦焊高溫形變引入的大量位錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等用形變淬火牢固釘扎住，即通過(guò)摩擦焊接過(guò)程具備的高溫形變、焊接和焊縫細(xì)晶奧氏體化準(zhǔn)備過(guò)程，焊接頂鍛保持使熱形變組織中獲得發(fā)展完全的亞結(jié)構(gòu)，從而要求在動(dòng)態(tài)回復(fù)完成而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶尚未開(kāi)始時(shí)停止形變，而在靜態(tài)回復(fù)完成且靜態(tài)再結(jié)晶尚未開(kāi)始時(shí)對(duì)摩擦焊焊縫進(jìn)行淬火處理，實(shí)現(xiàn)摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程的統(tǒng)一。

對(duì)于摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程的統(tǒng)一，關(guān)鍵在于對(duì)焊接過(guò)程的控制以及兩個(gè)過(guò)程的協(xié)調(diào)。通過(guò)利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在各種時(shí)間、溫度檢測(cè)傳感器的配合下完全可以實(shí)現(xiàn)摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程的協(xié)調(diào)控制，實(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程中剎車(chē)消耗掉大部分主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，只有少部分用于焊接區(qū)的形變，降低剎車(chē)減速度可促進(jìn)接頭形變，優(yōu)化形變條件即可通過(guò)配比合適的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最終取消剎車(chē)?？梢?jiàn)，利用剎車(chē)能耗反而可用較低的形變力獲得最佳的形變條件，為此對(duì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)主軸系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造。此外，還需要在摩擦焊機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)形變熱處理設(shè)備和回火處理設(shè)施。

2.1 形變熱處理摩擦焊機(jī)主軸系統(tǒng)構(gòu)成

與連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)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(zhuǎn)支承同樣采用兩套單列圓柱滾子軸承分布兩端的結(jié)構(gòu)來(lái)保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度和焊接時(shí)摩擦扭矩產(chǎn)生的徑向力要求。焊機(jī)快速頂鍛瞬間產(chǎn)生的軸向力通過(guò)兩套推力調(diào)心滾子軸承來(lái)承載，一套采用固定安裝，另一套采用平衡油缸活動(dòng)安裝，每個(gè)軸承只承受一半軸向力。裝配時(shí)通過(guò)螺母將軸承預(yù)緊。主軸的旋轉(zhuǎn)通過(guò)離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，離合器采用圓錐離合器，由離合油缸帶動(dòng)離合器沿花鍵套往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)離合器和皮帶輪接合時(shí)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的動(dòng)力傳遞；脫開(kāi)時(shí)，主軸在頂鍛力的作用下剎車(chē)。

2.2 摩擦焊形變熱處理裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

形變熱處理在高溫變形之后需要立即對(duì)工件進(jìn)行淬火處理以及回火處理，需要在摩擦焊接頭位置上設(shè)計(jì)添加淬火設(shè)備以及回火處理設(shè)備，包括淬火介質(zhì)的儲(chǔ)存容器和輸運(yùn)線路、噴施裝置以及回火加熱裝置。

2.2.1 淬火介質(zhì)

淬火介質(zhì)主要有液態(tài)介質(zhì)、氣態(tài)介質(zhì)以及液-氣霧化介質(zhì)，液-氣霧化介質(zhì)的冷卻物理過(guò)程與浸沒(méi)式冷卻介質(zhì)不同。在一般浸沒(méi)式淬火中，冷卻介質(zhì)(如水、油等)具有物態(tài)變化過(guò)程：高溫灼熱工件浸入這類介質(zhì)中，工件四周的液體迅速達(dá)到沸點(diǎn)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(zhì)隔開(kāi)，由于汽化膜是熱的不良導(dǎo)體，嚴(yán)重地妨礙熱傳導(dǎo)，使淬火工件冷卻速度減緩。而在液-氣霧化介質(zhì)冷卻過(guò)程中，汽化后的介質(zhì)被迅速排除，未氣化的介質(zhì)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(zhì)冷卻過(guò)程中不存在浸沒(méi)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(shí)間很短，液體來(lái)不及過(guò)熱，所以冷卻烈度增強(qiáng)而又比較均勻。

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

2.2.2 淬火介質(zhì)儲(chǔ)存設(shè)備和運(yùn)輸線路

形變熱處理裝置根據(jù)摩擦焊過(guò)程的形變熱處理工藝對(duì)淬火的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一套液-氣霧化介質(zhì)的淬火裝置，其原理如圖1所示。

設(shè)計(jì)的可調(diào)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(yùn)動(dòng)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(dāng)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(zhuǎn)變，以防止產(chǎn)生淬火裂紋。經(jīng)一段時(shí)間，當(dāng)完成馬氏體轉(zhuǎn)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(zhì)的噴施裝置

介質(zhì)噴施裝置是由液體和氣體兩個(gè)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(gè)介質(zhì)噴嘴，噴嘴是自主研制的產(chǎn)品。

噴嘴設(shè)計(jì)了液體和氣體兩條運(yùn)行通道，混合前是相互密閉的，液體通過(guò)噴施環(huán)進(jìn)入噴嘴閥芯內(nèi)環(huán)，氣體通過(guò)噴施環(huán)進(jìn)入噴嘴閥芯外環(huán)，壓縮空氣通過(guò)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(nèi)環(huán)噴出的液體不斷地打碎帶走。以液氣混合形式通過(guò)一定尺寸斜孔的隔板，使液氣混合介質(zhì)的顆粒進(jìn)一步減小。顆粒細(xì)小的液氣混合介質(zhì)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(zhì)變成霧狀液氣混合物。淬火介質(zhì)噴施裝置如圖2所示。

圖2 摩擦焊形變熱處理淬火介質(zhì)噴施裝置

淬火介質(zhì)噴施裝置可以通過(guò)摩擦焊接專家系統(tǒng)根據(jù)焊件材料、直徑、壁厚、面積來(lái)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(wèn)題。另外，此裝置移動(dòng)部分安裝在直線導(dǎo)軌上，具有操作方便、移動(dòng)靈活的特點(diǎn)。

由于摩擦焊形變熱處理工藝不再對(duì)摩擦焊接頭進(jìn)行焊后加熱淬火，也就不存在重復(fù)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(guò)形變區(qū)擴(kuò)大而被完全覆蓋，其形變強(qiáng)化效應(yīng)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(shè)計(jì)

回火系統(tǒng)采用中頻感應(yīng)加熱，如圖3所示。通過(guò)紅外測(cè)溫儀中的光纖測(cè)溫探頭檢測(cè)回火溫度信號(hào)，并與感應(yīng)加熱電源形成閉環(huán)控制，以確定保溫溫度范圍。當(dāng)時(shí)間繼電器設(shè)定的保溫時(shí)間到時(shí)，控制系統(tǒng)關(guān)閉中頻電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程的協(xié)調(diào)控制

摩擦焊形變熱處理的加熱過(guò)程是通過(guò)摩擦焊本身的焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，摩擦焊接過(guò)程既是焊接過(guò)程的同時(shí)又是為形變淬火進(jìn)行熱循環(huán)的準(zhǔn)備過(guò)程，既要滿足摩擦焊工藝本身對(duì)熱循環(huán)要求的同時(shí)又要滿足形變淬火對(duì)熱循環(huán)的要求，既滿足摩擦焊焊縫強(qiáng)韌性要求的同時(shí)又要求焊縫的加熱組織是均一穩(wěn)定的細(xì)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(gè)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(diào)一致。在摩擦焊接后適時(shí)對(duì)接頭進(jìn)行形變淬火，且淬火時(shí)機(jī)和淬火參數(shù)可由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)工件材料、尺寸和壁厚進(jìn)行調(diào)整。

基于PLC控制器設(shè)計(jì)了開(kāi)發(fā)了摩擦焊后形變熱處理控制系統(tǒng)，并與摩擦焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制。由計(jì)算機(jī)編制PLC控制程序傳輸給PLC控制器，PLC控制器按計(jì)算機(jī)編制的程序?qū)崿F(xiàn)摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過(guò)程的自動(dòng)控制。同時(shí)PLC控制擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過(guò)程的轉(zhuǎn)速、壓力、位移、時(shí)間等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集再傳輸給計(jì)算機(jī)，充分發(fā)揮了PLC機(jī)較高的抗干擾能力，避免了計(jì)算機(jī)參數(shù)采集和控制抗干擾能力差的缺點(diǎn)。

開(kāi)發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，集合了摩擦焊接過(guò)程控制、形變淬火過(guò)程控制、焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集、摩擦焊機(jī)運(yùn)行及系統(tǒng)狀態(tài)診斷、信息綜合管理等功能，很好地實(shí)現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過(guò)程的自動(dòng)控制。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

石油鉆桿管體選擇調(diào)質(zhì)態(tài)37CrMnMo5″G105鋼級(jí)管材，接頭材料采用42CrMoA鍛件調(diào)質(zhì)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(xì)晶馬氏體+鐵素體+少量貝氏體。37CrMnMo側(cè)不完全淬火區(qū)寬度約0.6 mm，42CrMoA側(cè)不完全淬火區(qū)寬0.3 mm，如圖4b所示。

接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別達(dá)到765 MPa、845 MPA和15%，都明顯高于中國(guó)石油標(biāo)準(zhǔn)SY／T5561-1999，接頭的沖擊韌性更是達(dá)到了95 J的平均值，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值20 J。接頭的力學(xué)性能指標(biāo)均符合且高于中國(guó)石油標(biāo)準(zhǔn)SY／T5561-1999。

5 結(jié)論

通過(guò)分析高溫形變熱處理的條件和連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程特點(diǎn)，提出了將高溫形變熱處理應(yīng)用于石油鉆桿的摩擦焊后熱處理。通過(guò)改裝原有摩擦焊機(jī)主軸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研制了形變熱處理裝置和控制系統(tǒng)以及回火系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了具有形變熱處理功能的混合型摩擦焊機(jī)。基于PLC控制器開(kāi)發(fā)的形變熱處理摩擦焊控制系統(tǒng)，對(duì)摩擦焊接過(guò)程和形變熱處理過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，集合了摩擦焊接過(guò)程控制、形變淬火過(guò)程控制、焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集、摩擦焊機(jī)運(yùn)行及系統(tǒng)狀態(tài)診斷、信息綜合管理等功能，很好地實(shí)現(xiàn)了摩擦焊接和摩擦焊后形變淬火過(guò)程的自動(dòng)控制。試驗(yàn)表明，摩擦焊形變熱處理石油鉆桿接頭的力學(xué)性能指標(biāo)均符合且高于中國(guó)石油標(biāo)準(zhǔn)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

[1]許瀟紅，許維勝.鉆桿焊縫熱處理溫控系統(tǒng)的建模及實(shí)現(xiàn)[J].控制工程，2005，12(3)：244-247.

[2]張 浩，唐俊強(qiáng)，梁曉輝.提高鉆桿接頭沖擊功的工藝方法[J].熱加工工藝，2006，35(20)：77-78.

[3]黨峰君.對(duì)焊鉆桿熱處理監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30(2)：605-606.

[4]胡榮生，朱世忠.鉆桿生產(chǎn)線焊縫熱處理冷卻系統(tǒng)技術(shù)改造研究[J].寶鋼技術(shù)，2000(3)：36-39.

[5]胡榮生，劉開(kāi)源.石油鉆桿焊縫噴霧熱處理[J].金屬熱處理，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，尚高鋒，等.S135鉆桿摩擦焊接頭熱處理后的組織和性能[J].金屬熱處理，2004，29(12)：22-26.

[8]徐宗瑞，石 霖.關(guān)于高溫形變后奧氏體的分解及沉淀相的分析[J].兵器材料科學(xué)與工程，1985(s1)：16-25.

[9]王涇文.高溫形變熱處理及其應(yīng)用[J].安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15(1)：1-9

[10]姚忠凱.形變熱處理基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)展[J].佳木斯工學(xué)院學(xué)報(bào)，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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075174)

齊秀濱(1965—)，女，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)器人焊接及其仿真技術(shù)、焊接工藝裝備的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、激光焊接與切割工藝裝備的研究，參加國(guó)家“八五”“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目。