（材料学专业论文）空心抽油杆摩擦焊工艺研究.pdf

摘要 摩擦焊是一种现代的固相热压焊技术，具有焊接效率高、节能等优点。摩擦焊焊接 接头为锻造组织，焊缝较少出现气孔、偏析、夹渣及裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接 接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。这就使得摩擦焊接尤其 适合于普通熔焊工艺难于焊接的低合金高强钢的焊接。 油田某机械厂生产的d 级空心抽油杆，采用3 5 c r m o 杆体和4 2 c r m o 杆头摩擦焊焊 接而成，经5 6 0 局部感应加热回火后去除飞边投入使用。但是，抽油杆在井下工作过 程中出现了开裂事故，影响了油田的正常生产，造成了经济损失。 本文通过对失效焊接接头的断口和金相组织进行分析，指出流变区形成的过冷奥氏 体有很大一部分转变成了岛状组织，对热影响区的韧性和强度有较大影响。因此可以推 断出现场所采用焊接工艺参数使近焊缝区的温度较高，冷却速度较低，优化焊接工艺参 数，改善焊接接头的组织成为提高性能的有效方法。为了减少接头的热输入，提高焊缝 冷却速度，考虑采用改变摩擦焊工艺参数进行实验。结果表明，在较短的摩擦时间、较 大的摩擦压力和顶锻压力条件下，焊接接头消除了对强度和韧性有害的组织，并减小了 热影响区宽度，获得了理想的焊接接头。 由于杆体为轧态组织，仅通过调整焊接工艺参数无法达到d 级空心抽油杆的强度要 求，必须对抽油杆进行调质处理。本文通过选择不同的淬火和回火温度进行实验，最终 确定5 5 0 保温1 5 分钟空冷+ 8 8 0 保温1 5 分钟水淬+ 6 0 0 保温3 0 分钟空冷为最终的 焊后热处理规范。抽油杆的机械性能达到了d 级空心抽油杆的要求。 关键词：空心抽油杆，摩擦焊，热处理，土艺参数，正交试验 s t u d y o nf r i c “o nw e l d i n gp r o c e s s i n go fh o o ws u c k e rr o d s z h a n gj 眦( m a t e r i a ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o s h iz 1 1 i q i a n g a b s t r a c t f r i c t i o nw e l d i n gi sam o d e ms o l i dp h 够ep r e s s u r 弓w e l d i n g 妣h n i q u e ，w h i c hh 鹞t h ec h 骶a c t e r so f h i g h e f f i c i e n c y 锄de n e e g y s a v i n g t h ew e l d e dj o i n th 舔t 1 1 ef b 唱i n gm i c r o s t r u c t u r e ，s oi th a r d l y 印p e a r sc d r s t a l d e f e c t ss u c h 嬲p o r o s i 劬s e g 砷g a t i o 玑s l u d g ea n dc r a c k i n gw h i c ha r ea l w a y se m e 唱e di nt h ec a s t i l l g m i c r o s t r u c t u r e t h es t r e n g t l lo ft h e 衔c t i o nw e i d i n gj o i mc 锄r e a c ht i l a 士o fm eb a s em a t e r i 乩锄da 阳f 打 g r e a tt h 锄t h a to ft h em e l t i n go r b 眦i n gw e l d e dj o i l l t s ot t l e 伍嘶o nw e l d i n gi sq u 讹s u i tf o rc o n m c t i n g t h ed i 仃e r e n th i 曲s 仃e n g t ll o wa j l o ys t e e l s a no i lm e c h a l l i c a lf a c t o 叮p r o d u c t st h ed 舒l d es u c k e rm d s ，w h i c hc o n n e c t e dt 1 1 e3 5 c r m o 刚h e a d 锄d4 2 c r l or o db o d yb y 衔c t i o nw e l d i n 舀锄dt h e nt e m p e r e dt 1 1 ej o i n ta t5 6 0 u s i n gl o c a lm d u c t i o n h e a t i n ga 1 1 dw i p i n go f r t h ef l a s hw i d 廿1 f i r s t l y ，m ef m t i 盯e 卸dm e t a l i o 鲫h i co ft h e 翻l e dw e l d e dj o mi sa i l a l y 髓d 1 1 1 e r ea r eb a i l l i t e 锄d 仃0 l o s i t ei nt h ej o i m ，w m c hi i l d u c e dm a y b eb yu 璐u i t a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r s t h eh i 曲e n e r 目i i l p u tm a d e 廿1 ea r e a n e a rt h es u r f k em 曲t e m p e r a t u r ea n dl o wc o o l i n gr a t e ，m o s to f o v e r c o o l e da u s t e n i t ei 1 1t t l en o w i n g a r e ab e c o m eb a i m t c 锄d 仃o o s i t e ，w 1 1 i c h 伊e a t l ya 仃c c tt h et o u g h n e s s 锄dt h es 仃e n 昏ho fm eh e a t 世- e c t e d z o n e t h e r e f o r e ，o p t i m i z i n gt l l ep 猢e t e r s 锄d 锄e n d i n gt h em i c r o s t m c t u r ea 托h e l p f u lt 0i m p r 0 v et h e m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so f 廿1 ej o i n t t 0d e c r e et h ee n e r g yi n p u t 锄dm ec o o l i n gm t e ，as e r i o u so f e x p e r i m e n t sa r ec 甜1 r i e do u ta tv a r i o u sw e l d i n gp a m m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tap r o p e rj o i n ta r eo b t a i n e d ， w h i c hh 嬲ae l i m i n a t e db a “t e 觚d 仃d o s i t em i c r o 蛐r u c t u r e sa n dar e d u c e dh e a ta f r e c t e dz o n ew i d 仇i nt h e p a r a m e t e ro fl e s s 伍烈i o nt i m e ，h i g h 疔i c t i o na n df o r g ep r e s s u r e t h es u c k e rr o dc 锄n o ta t t a j nt l l ep r o p e r t yo fd 铲a d e ，o m yb y 删u s t i n gt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ， b e c a u s eo ft l l er o l l e dm i c r o s t r u c t u r eb o d y t h eh e a t 仃e a t n l e mm u s tb ec 枷e do u t ao p t i m u mh e a t t r e a t m e n tr e g i m ei so b t a i l l e db yc h o o s i n gv a r i o u sq u e n c l l i n ga n dt e m p e r t e m p e r a t u r e s t b m p e ra t5 5 0 f o r 3 0 m i n i t e st h e na i rc o o l e d ，t i l e nk e 印i n gt h es u c l rr o d sa t8 8 0 f o r15 m i n i t e s ，q u e n c h e db yw a t e r 觚d t h e nt e m p e ra t6 0 0 f o r3 0 m i n i t e st h e na i rc o o l e d k e y w o r d s ：h o l l o ws u c k e rr o d s ，f r i c t i o nw e l d i r 培，h e a tt r e a t m e n t ，p r o c e s s p 锄锄e t e r ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 2 厶i 整日期：沙g 年月工日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 扳1 殳 日期： 内髻年参月2 日 日期：2 口。g 年月2 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 在我国已探明的原油储量中，三高原油即高凝原油、高含蜡原油、高黏度原油占有 相当大的比重。在三高原油开采工艺中，电加热或注热水、注蒸汽、注稀油、注降凝剂、 降粘剂是其主要措施。在不停抽的情况下，要完成上述各项操作必须利用空心抽油杆， 由喷转抽的小井眼油井也需要利用空心抽油杆来完成抽油及有关的任务。近年来，随着 我国三高原油开采量的增加，空心抽油杆的制造也越来越受到重视【1 2 】。 空心抽油杆具有空心结构特点，给杆端的直接镦锻成型带来较大的困难，所以目前 普遍采用分别加工杆头和杆体，再通过焊接的方法把二者连接【3 1 。摩擦焊因其适合异种 金属焊接，且具有参数重复性好、尺寸精度高、焊接质量稳定、效率高等优点，广泛应 用于空心抽油杆的制造和修复。但是，摩擦焊过程中焊接流线复杂，金属夹杂物沿焊合 面分布，焊区内金相组织复杂造成的焊合面附近韧性较差，项锻过程中产生的微裂纹大 大降低了抽油杆的疲劳强度，很容易由于焊接工艺参数选择不当造成焊接接头成为整个 抽油杆系统的薄弱环节。同时，由于焊后热处理过程测控技术较落后，因此油田经常发 生由于焊后热处理工艺不当或失控而造成的抽油杆断裂事故【4 巧】。 摩擦焊接后，焊接接头部位形成较大的内外飞边，去除外飞边一般采用车削加滚压 的方法，去除内飞边则采用钻削法。但是由于内外飞边一般为马氏体与贝氏体的混合组 织，硬度高，尤其是内飞边的清理相当困难。如果想较容易地清理内飞边，必须提高焊 缝回火加热温度。但加热温度提高后，拉伸强度仃。就下斛6 1 。因此，研究空心杆体的摩 擦焊对接过程，优化焊接及后热处理工艺参数，对抽油杆的工业化生产、减少抽油杆脱 断事故有很重要的实际意义。 1 2 课题研究现状 1 2 1 摩擦焊的研究现状 早在6 0 年代初期，美国的a m f 公司、卡特皮勒拖拉机公司和洛克菲勒国际公司就开 始研制开发摩擦焊机。当时，洛克菲勒公司开发出数台供自己使用的双端面摩擦焊机， 主要用于卡车差速器和主轴的焊接。卡特皮勒公司使用自己制造的第一台摩擦焊机焊接 柴油发动机的预燃烧器。最早实际销售摩擦焊机的是卡特皮勒公司和a m f 公司，其产品 l 第一章绪论 分别用于涡轮增压器和汽车转向器蜗杆的焊接。1 9 6 8 年，卡特皮勒公司了结了与黼 公司关于专利权的争执，从而成为与摩擦焊有关的a m f 公司所有专利的唯一拥有者。 肿公司的摩擦焊机设计得相当好，它速度快、多用性强，并具有组合焊接循环，是唯 一能与当今计算机控制摩擦焊机类比的。1 9 7 5 年，m a n u f 如t u 曲gt e c l l l l o l o g yl n c 从卡特 皮勒公司购买了卡特皮勒公司以及原a m f 公司涉及摩擦焊的全部专利权和专有技术，从 而成为美国一家举足轻重的摩擦焊机生产厂家口。8 1 。 经过几十年的开发，摩擦焊在美国获得极大的发展，并成为汽车与工程机械业、航 空航天业、石油天然气开发业、化学工业以及核电设备的重要加工手段。 目前，在国际市场上提供摩擦焊设备的主要有美国、德国、法国、英国和日本。各 公司不仅研制开发摩擦焊设备，还提供有关摩擦焊工艺方面的咨询，它们都具有自己的 摩擦焊加工车间和研究开发实验室。 我国的摩擦焊研究始于1 9 5 7 年，是世界上最早开展摩擦焊研究的几个国家之一， 摩擦焊技术的试验研究和生产应用可以说与世界各技术先进国家是同步进行的。我国目 前已掌握了摩擦焊机设计制造和各种材质不同接头型式( 管管，棒棒，管棒，管板) 焊 件的焊接工艺、先进的接头焊后热处理、焊后接头无损检验、焊接过程焊接参数的监控 等相关的整套技术，摩擦焊技术完全可以立足于国内【9 1 。 在摩擦焊机理方面，v vs t a y a n 细a y a n a 等【l o - 1 1 】对摩擦焊工艺参数对接头的组织和性 能的影响进行了深入的分析。天津大学的霍兰等【1 2 以4 1 对摩擦焊接表面高温塑性金属层的 形成、流动、扩展和接头形成，摩擦焊接的能量转换及过程控制等方面进行了较深入的 研究。m 啪i i ls 枷n 对高速钢与中碳钢的摩擦焊接技术进行了研究【1 5 】。西北工业大学的 毛信孚等【1 6 1 8 】针对原始焊缝韧性普遍低于母材的情况，进行了摩擦焊接头形变热处理的 工艺试验研究，率先在摩擦焊领域中引入形变强化与相变强化相结合，通过改变传统的 连续驱动摩擦焊过程，把焊接工艺同焊后热处理工艺实行工序兼并，利用焊接余热和刹 车能耗在摩擦焊机上直接对摩擦焊接头进行形变热处理，实现了在不降低接头强度的前 提下，韧性超过调质母材的水平，改善了摩擦焊过程中的韧性损伤。该项研究成果处于 世界领先地位，日前在抽油杆、油管的生产和钻杆的修复上进行了推广应用。 在焊接质量监控方面，逯燕玲，巴鲁军等【1 9 。2 0 1 先后对摩擦焊功率极值控制仪及微机 质量监控装置进行了研究，对焊接过程的轴向压力、主轴转速、摩擦扭矩、焊件轴向缩 短量、摩擦时间、焊接温度及形变热处理温度等影响焊接接头质量的主要参数的变化进 行监控。刘中信，郭建军等【2 1 。2 2 1 对摩擦焊及焊后热处理的自动化生产装置进行了研究， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 取得了良好的经济效益。西安交通大学的陈建忠口3 1 对摩擦焊缝无损检测技术进行了研 究，徐晓菱等【2 4 1 对焊缝质量评定进行了探讨，这些都为摩擦焊接接头质量控制做了基础 性工作。 同时，在新型摩擦焊焊接工艺，摩擦焊缝缺陷形成机制与力学行为，摩擦焊接物理 参量场( 温度场，应力应变场) 数值模拟等相关试验技术方面也开展了较系统深入的研究 工作【2 5 。3 1 1 。 1 2 2 摩擦焊焊接方法的优势 连续驱动摩擦焊是最典型的摩擦焊方法，其中的一个工件连到驱动机上以一定的速 度进行转动，而另一个工件保持不动，两工件相向运动，端面相互接触，保持转速不变 从而使得两工件在摩擦力的作用下产生热量。当界面温度达到焊件材料的锻压温度范围 时，对主轴给予制动使转动迅速停止。在此阶段，使摩擦顶力增大到顶锻力，从而把两 个工件锻压在一起。连续驱动摩擦焊较惯性摩擦焊而言，焊接实心焊件所需的焊接压力 较小，可用相同吨位的焊机焊接更大的焊件，在使用制动器后，可以减小焊接扭矩，对 夹具的要求较低，同时在焊接实心焊件时可以采用较低的转速。 文献【9 ，3 2 1 把摩擦焊主要优点归结为如下几个方面： ( 1 ) 接头质量好且稳定。摩擦焊过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好， 不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头 为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析、夹渣及裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接 接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。 ( 2 ) 效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产。 每件焊接时间以秒计，一般只需几秒至几十秒，是其他焊接方法如熔焊、钎焊不能相比 的。 ( 3 ) 节能、节材、低耗。所需功率仅是传统焊接工艺的1 5 1 1 5 ，不需焊条、焊剂、 钎料和保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极。 ( 4 ) 焊接性好。特别适合异种材料的焊接，与其他焊接方法相比，摩擦焊有着得天独 厚的优势，如钢和纯铜、钢和铝、钢和黄铜等异种金属的焊接。 ( 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，没有孤光和火花， 没有放射线。 除以上几点之外，摩擦焊还有工艺参数容易控制、焊件尺寸精度高等优点，有利于 3 第一章绪论 大批量工业化生产，具有广泛的应用前景，因此摩擦焊技术被称为未来的绿色焊接技术。 1 2 3 摩擦焊在石油行业的应用 近2 0 多年来，国内外石油机械制造业推广应用摩擦焊技术，取得了很大的成绩。 美国m t i 公司采用摩擦焊生产钻杆、空心抽油杆、高压阀体、蝶阀和地质取芯钻具。原 苏联石油机械科研与设计工艺研究所采用摩擦焊生产焊接式抽油杆，将不同材料的杆头 与杆体先用摩擦焊焊接在一起，然后再镦锻。这种焊接式抽油杆，杆头采用低合金钢， 杆体则采用普通碳素钢，或者杆头采用高强度合金钢，而杆体则采用低合金钢。由于抽 油杆受力最大的螺纹接头部位采用比杆体好的合金钢材料，而杆接头的质量仅占整根抽 油杆质量的4 5 左右，这就大大节约了合金材料【3 3 】。 在7 0 年代哈尔滨焊接研究所就瞄准了我国石油工业大发展对新技术的要求，大力研 究和推广摩擦焊技术，首先研制了我国第一台大截面1 2 0 0 斟石油钻杆摩擦焊机，在全国 各大油田管子站推广应用，开创了我国摩擦焊生产或修复钻杆的历史。 。 9 0 年代初，哈尔滨焊接研究所与中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院机 械所合作，利用摩擦焊机制造空心抽油杆和实心抽油杆。经过哈尔滨焊接研究所、石油 勘探开发科学研究院机械所和大港石油管理局石油机械厂的共同努力，于1 9 9 3 年在大港 石油管理局石油机械厂建成一条年产4 0 万m 的摩擦焊空心抽油杆生产线，采用h s m z 2 2 8 型摩擦焊机将空心抽油杆的杆头焊到杆体上，在焊接过程中对接头进行形变热处理 技术，并对焊缝和热影响区进行了局部回火处理，保证了空心抽油杆的焊接质量。目前 国内已有辽河石油勘探局总机械厂、东北输油管理局铁岭机械厂、丹东市油泵厂、葫芦 岛市采油设备厂、衡水石油机械厂、淄博石油机械总厂淄j 1 1 分厂和旅顺石油机械厂生产 摩擦焊空心抽油杆。我国石油机械制造业已成功地将摩擦焊技术应用于钻杆和空心抽油 杆生产上【3 ，3 4 1 。 近年来，随着现场经验的不断积累，摩擦焊在石油装备修复方面的技术也日臻成熟。 在对旧杆或管进行检修时，通常在清洗工序之后，就可将有各类缺陷的杆或管判定报废。 但是，这些已判定报废的装备很多仍有好的杆体、杆头。采用摩擦焊的方法，焊接上与 切掉部分相同长度的短节，可以保持杆或管的长度不变，因而不影响修复的井下作业。 这种修复工艺已经在胜利油田现河采油厂、大庆油田等多家单位使用，产品性能稳定， 已经产生巨大的经济效益【3 5 。7 】。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 。3 课题研究内容 油田某石油机械厂生产的空心抽油杆，为了提高产品质量，满足生产要求，委托石 油大学焊接研究所进行工艺改进。通过分析抽油杆在井下的失效原因，选择改进摩擦焊 工艺参数和焊后热处理工艺作为提高管材强度指标的途径。 图1 1 本文研究路线图 f i 9 1 一l t e c h n i c a l6 e l do ft h i ss t u d y 本文的研究路线如图1 1 ，文章的主要研究内容有以下几方面： ( 1 ) 了解摩擦焊工艺过程及各参数对接头性能的影响规律，总结接头常见的冶金 缺陷并提出解决方案，为空心抽油杆摩擦焊工艺设计与实验提供技术参照和理论依据。 对失效接头进行断口和金相分析，找出失效原因，选择工艺参数优化方案。 ( 2 ) 设计九种摩擦焊工艺参数分别进行焊接，对内外飞边进行机械加工，切取焊 5 第一章绪论 缝截面制各金相试样，分析焊缝宏观形貌、组织、硬度的特征，对去除量进行极差分析， 掌握焊接工艺参数的影响规律。 ( 3 ) 设计焊后退火、调质工艺参数，通过对焊缝组织、硬度和强度分析，优化焊 后热处理工艺参数。 ( 4 ) 采用优化后的热处理工艺对九种摩擦焊工艺参数条件下的焊缝进行热处理， 并获取接头的强度指标。通过对不同工件下接头的强度、硬度及热影响区宽度进行对比， 选择最优焊接工艺参数的范围。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章摩擦焊工艺因素及焊接接头失效分析 2 1 焊接工艺因素 在拟定焊接工艺时，首先要考虑的问题就是如何保证焊接质量。选择合理的焊接规 范、争取实现一个理想的焊接条件是保证焊接接头质量的关键。所谓理想的焊接条件， 就是与其他的热压焊方法一样，要求有适当高的加热温度，既要使焊缝金属容易产生塑 性变形和扩散，又不要使金属过热。为了防止接头金属过热和提高生产率，加热时间要 短，并要使接头加热均匀，保证得到合适的温度分布。最后要用足够大的顶锻力、顶锻 速度及适中变形量。因此，研究摩擦焊的焊接工艺过程及各焊接参数之间的内在联系， 成为获得理想焊接接头的关键。 文献【2 2 】指出空心抽油杆接头连续驱动摩擦焊接过程可分为4 个阶段：施加摩擦压 力前的旋转阶段；工件旋转向前施加压力阶段；保持摩擦压力并旋转的加热阶段；顶锻 阶段即停止旋转施加顶锻压力并保持一定时间。在这个过程中，选择合理的摩擦压力、 摩擦时间、摩擦变形量、刹车时间、顶锻时间和顶锻变形量，是得到理想的接头金相组 织、机械性能和较大焊合面积的必要条件。【3 8 1 图2 1 为摩擦焊工艺过程图，图中n 为工 件转速，p 为轴向压力，p 1 为一级摩擦压力，p 2 为二级摩擦压力，p 3 为顶锻压力；l 为变形量，1 1 为一级摩擦变形量，1 2 为二级摩擦变形量，1 3 为顶锻变形量，“为 摩擦加热时间，t u 为顶锻焊接时间。 量 写 ， 曼 x 挪 。 一， 、 姗 厂 。看 j 蓦 百i 冀d f i 伽 左 6 f h 习 0 r 习 9 24囊0t 21 41 6 埽 扣l ( lt 。- 图2 1 摩擦焊工艺过程 f i g2 l f i c t i o w e l d i n gt e c h n i c a lp r o c e s s i n g 7 第二章摩擦焊工艺因素及焊接接头失效分析 需要控制的工艺参数有转速n 、摩擦压力p o ，加热时间t ，顶锻压力p l 等。这些参数 的选择取决于工件的横截面积、金属的熔点和导热系数、热循环过程中冶金性能的变化 等。文献 3 8 】对这几方面进行了讨论： ( 1 ) 转速 转速是影响较小的工艺参数。适当地调整加热时间和摩擦压力可以在较宽的范围内 变化。较高的转速产生较高的界面温度，对钢而言，切向速度一般应在1 3 3 州s 。转速 较高时摩擦扭矩的最大值要小一些，这样对机器特别是加紧装置的要求可以低一些。但 选择高速时应考虑到，由于摩擦时间短，温度的提高集中在界面上，顶锻过程中会由于 加热不足使临近焊缝处于塑性状态的金属不足，以至于被挤出的金属数量太少，杂质没 有从界面清除干净，对接头的力学性能尤其是冲击韧性不利。对于某些一种金属的焊接， 低转速可以减少脆性金属化合物的产生。 ( 2 ) 压力 包括摩擦压力和顶锻压力。摩擦压力需足够大，使接合面保持紧密接触以防止氧化。 较高的压力意味着较快地达到焊接温度和稳定状态，因此热影响区减小，焊接时间缩短。 缺点是摩擦焊机要承受较大的压力。顶锻压力影响接头冷却时的变形量，变形量大可获 得力学性能良好的细晶粒组织。摩擦压力和顶锻压力决定着焊接区的温度梯度、需要的 驱动功率和轴向缩短量。适当增加摩擦压力及顶锻压力，缩小了软化区的宽度，焊缝两 侧热影响软化区不明显存在，从而有利于提高接头的强度。具体的数值取决于金属材料 性质和接头的几何形状，对于空心抽油杆常选顶锻压力为摩擦压力的2 3 倍。 ( 3 ) 时间 包括摩擦时间和停车时间。摩擦时间决定了接头摩擦加热过程的加热程度，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，摩擦表面加热不完全，不能形 成完整的高速摩擦塑性变形层，接头上的温度分布不能满足焊接的要求。摩擦时间长， 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。 在确定摩擦时间时，通常总是希望在摩擦加热过程终了的瞬时，接头上有较厚的变形层 或较宽的高温金属区。而在顶锻焊接过程中产生较大的项锻变形量，变形层的面积沿径 向有很大的扩展，将变形层中的高温金属挤碎、挤出，产生尺寸不过大但形状封闭圆滑 的飞边，有利于改善接头的焊接质量。当摩擦变形速度一定时，摩擦变形量和摩擦时间 成正比。因此常常用摩擦变形量来调整摩擦时间，控制摩擦加热过程。 但是，目前摩擦焊接工艺规范还不能用计算的方法精确给定，必须通过试验来确定， 8 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 有时做一两组试验还找不出最佳参数，必要时需通过正交试验选择相对于某一种材料摩 擦焊接的最佳工艺参数。 2 2 摩擦焊接头环境服役条件 在进行摩擦焊工艺参数优化之前，了解摩擦焊接头的服役条件及失效形式，对于抽 油杆摩擦焊实际操作的顺利进行和工艺参数的制定都是十分必要的。作者在前期的调研 工作中对摩擦焊接头的失效分析做了大量的实际工作，为工艺参数优化试验积累了宝贵 经验。 2 2 1 摩擦焊接接头的常见缺陷 摩擦焊是固态连接，在接头中不会出现与熔化、凝固有关的缺陷，但当材料焊接性 差、焊接工艺参数设置不当或表面清理不干净时，在摩擦焊连接面上也会出现一些“非 理想结合”的缺陷，如裂纹、未焊合、错叠等，这些缺陷一般具有二维、平面、弥散分 布等特征【3 9 】。 文献 4 0 】介绍了几种摩擦焊常见的缺陷： ( 1 ) 灰斑缺陷 是一种焊接缺陷在断口上的表现形式，它在断口上一般表现为暗灰色平斑状，无金 属光泽，与周围的金属有明显的分界，无显著塑性变形，具有明显的沿焊缝断裂的特征。 从微观上看，灰斑是从焊合区破碎或未破碎的夹杂物以基体金属的界面为空穴形成核 心，在外力作用下不断扩展，最终聚合成密集细小的浅韧窝，在宏观上表现为脆性断裂。 根据扫描电镜分析和x 射线能谱分析，灰斑缺陷系由以s i 、m n 为主的低塑性物质 组成。关于其形成机理一般是认为由于焊接部位母材内部存在的一些夹杂物，在摩擦加 热、顶端加压被碎化而进入焊接面，但又未被完全挤出，从而形成灰斑。 ( 2 ) 焊接裂纹 摩擦焊接头上的裂纹主要出现在焊合区边缘飞边缺口部位、焊合区内部、近缝区及 飞边上。飞边缺口裂纹沿焊合区向内扩展，其产生与材料的淬硬性及焊接参数有关。有 限元分析表明，当焊合区两侧塑性区较宽、顶锻力过大时，会在焊合区周边部位产生比 较大的拉应力，这是形成飞边缺口裂纹的主要原因。异种钢焊接时易在焊合区内部产生 裂纹。脆性材料或易淬硬材料与其他材料焊接时，在焊后或热处理后会产生由飞边缺口 部位起裂、并向脆性材料一侧近缝区内部扩展的环状裂纹，这类裂纹的产生与焊接接头 9 第二章摩擦焊工艺因素及焊接接头失效分析 内部的残余应力分布及焊接过程中脆性材料的损伤有关。飞边裂纹是指飞边上沿径向或 环向开裂的裂纹，其产生的原因主要是焊合区温度不当、飞边金属塑性低、焊接变形速 度过快。通过改变焊接转速及顶锻速度可有效防止飞边裂纹的产生。 ( 3 ) 未焊合 未焊合一般产生于焊接接头的焊合面上，其表面宏观特征呈氧化颜色。在断口上表 现为摩擦变形特征及其上分布的氧化物层，氧化物主要是焊接过程中在高温形成的 f e o 。另外，结合表面上的氧化物、油污、杂质及凹坑等也会在焊合面上造成“未焊合” 缺陷。它的产生与摩擦加热不足、顶锻力过小及原始表面状态等因素有关。 摩擦焊作为一种优质的固态焊接技术，一般情况下其接头的性能是相当可靠的，接 头强度可以达到甚至超过母材的水平。但是当接头中出现非理想结合时，会使接头的抗 断能力大幅度下降。如当灰斑面积为2 0 3 0 时，焊合区冲击功可下降7 0 8 0 ，疲劳 寿命下降2 5 5 0 。因此，优化焊接工艺参数、避免焊接缺陷的产生成为了提高抽油杆 使用性能的必要途径。 2 2 2 空心抽油杆摩擦焊接头开裂失效分析 油田某机械厂生产的空心抽油杆在井下工作过程中出现了早期开裂失效，特委托石 油大学材料研究所进行分析以确定失效原因。抽油杆的生产工艺为，杆头和杆体通过摩 擦焊连接，对焊缝进行5 6 0 局部感应回火后去除飞边。加工好的抽油杆经表面处理和 检验包装后供应现场。 由图2 2 可以看出，起裂区位于抽油杆表面，裂纹沿抽油杆外壁向内壁扩展。从图 2 3 可以看出，裂纹位于焊缝偏杆头部分，并向杆头热影响区扩展。在焊缝区杆体和杆 头有明显组织分界，裂纹在扩展过程中有大量撕裂痕迹。图2 4 和2 5 为杆体与杆头母 材组织，可知杆体为热轧状态供货，杆头为调质态组织。厂家提供的成份检验报告为杆 体3 5 c r m o 和杆头4 2 c r m o 。 1 0 中目丈学( * 末) 碗学论女 圈2 - 4 杆体母材金相组织 f j g2 - 4m i c r o s t r u c c f t h er o db o d y 圈2 5 杆头母材金相组织 f i g2 - 5 m j c r o s f r u c t u r e o f f h em dh e a d 第一g 摩擦* 艺目翥拉焊接接头戋敢j 析 图2 - 6 为杆体一侧热影响区余相组织。在焊缝部位，主要为铁素体和粒状贝氏体， 出现少量的回火索氏体。近焊缝的塑性流变区为铁素体加少量的沿铁素体品界析出的珠 光体。在靠近母材部分出现了较窄的一段不完全计：火区，组织均为铁素体加珠光体组织。 图2 - 7 杆头热影响区金相组织 f i g2 7m l c r o s t n c t u m o f t h m dh e dh 帕ta 仃e c t e dz o n e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 7 为杆头一侧热影响区金相组织。在靠近焊缝的部位，组织为s 回+ 岛状组织， 在流线条带区域，贝氏体的含量有所增加。在靠近母材一侧，出现正火区和不完全正火 区，铁素体含量增加，但是仍然有较多的贝氏体组织存在。 从上面的分析可知，在靠近杆体母材部分出现了一段正火区，由于焊接工艺参数的 因素影响这段区域较窄，越靠近焊缝，晶粒细化程度越明显，但组织均为铁素体加珠光 体组织。总体上看冷却速度对杆体一侧的影响较小，只是不同区域晶粒度有较大差别。 杆头原始组织为回火索氏体，在热和机械力的共同作用下，均匀细小的回火索氏体 更容易发生奥氏体化转变，在冷却过程中因冷速的不同形成了多种组织混合的复杂组 织。现场所采用焊接工艺参数使近焊缝区的温度较高，冷却速度较低，流变区形成的过 冷奥氏体有很大一部分转变成了岛状组织，这对热影响区的韧性和强度都有较大影响。 总之，摩擦焊的热输入对杆体一侧热影响区组织的影响不大，而对杆头一侧热影响 区的组织影响较大。较高的近缝区温度将增大焊接过程中奥氏体的形成能力，增加奥氏 体中合金元素和碳的含量，从而增加过冷奥氏体的稳定性。在冷速较低的情况下，稳定 的奥氏体将转变成岛状组织，对接头的强度和韧性有害。 同时，由于工艺参数的原因使焊接热影响区( 焊缝区+ 流变区+ 不完全正火区) 的宽 度较大，经测量在1 0 1 砌以上，增加了焊缝薄弱环节的面积，对焊缝质量的稳定有较大 影响。 通过以上分析对本案例得出以下结论： ( 1 ) 现场所采用焊接工艺参数使近焊缝区的温度较高，冷却速度较低，流变区形 成的过冷奥氏体有很大一部分转变成了岛状组织，这对热影响区的韧性和强度都有较大 影响。焊接热影响区宽度较大，是焊缝的薄弱环节。 ( 2 ) 改善组织的最直接方法是改变接头区域的温度场，提高冷却速度。 1 3 镕j 章实验条件与实驻方法 31 实验材料 第三章实验条件与实验方法 本实验中的焊接材料从现场生产使用的成批材料中取得。采用g s l o o o 型直读光谱仪 分析得到杆头和杆体的成分如表3 1 ： 表3 1 秆头和杆体的化学成分 n b i c3 一l c h e m i c 丑i 咖p 0 5 i t j o no f t h e 砌h 性d a n d m db o d y 成分 c s im npsc r州m oc uf e 项目 通过对比文献【4 1 中材料成分可知，杆体的材质是3 5 c r m o ，杆头的材料为4 2 c r m o 但杆头m o 元素吉量为0 1 2 8 偏4 2 c r m o 下限。 图3 - 1 杆头组织 f i g3 - lm i c m s t r u c t f m er o dh e a d 3 杆体组织 n 9 3 m i t r u c t f l h er o db o d y 国3 一l 和图3 - 2 分别为杆体和杆头的显微组织。可以看出杆体为块状的铁索体加珠 光体，为典型的轧态组织杆头组织；杆头为回火索氏体，可见细小的粒状微观形貌。因 此，本实验的焊接是材质和组织均不同的异种钢的连接。 在实验中，杆体直径为m 3 6 ，杆头由于在生产后期需要加工螺纹，直径增厚为m 5 0 。 中目i 油大学( 华东) 学沦文 如果杆头和丰t 体直接连接，焊接接头为非等截面成型，一方面出于温度场的扭曲会在连 接处形成应力集中，另一方面对e 边的成型和去除都有影响。因此，采用增加杆头长度， 把焊接端车削成与卡t 体等截面的结构进行试验。根据焊机的实际结构和行程，本试验中 设计杆头端夹持端长度为5 0 m m ，规格为m 5 0 1 25 m m ，伸出端长度为4 0 m m ，规格为 0 3 6 55 m m ，杆体端夹持长度为6 0 0 m m ，规格m 3 6 x 55 m m ， 32 实验设备 3 21 摩擦焊设备 本次实验所用的主要设备的c 一2 5 a 3 型摩擦焊机，本焊机由主机、液压站、电控柜 三部分组成。焊机外形如图3 3 。 图3 0c - 2 5 a - 3 型摩擦焊机 f j 9 3 一lc - 2 5 a o ”i c t i o m a c h i b e 浚焊机的主要性能参数如表3 2 。 3 22 热处理加热设备 热处理加热设备采用天津中环试验电炉有限公司生产的s x 2 6 13 型箱式电阻炉， 箱内空间尺寸为2 0 r r 曲1 0 m m l o m m 虽高加热温度1 3 0 0 ，实时温度显示，并通过 反馈电路控制加热温度和加热速度。 第三章实验条件与实验方法 表3 2c - 2 5 a 3 摩擦焊机主要性能参数 1 a b i e 3 2t h ec h a 憎c t e ro ft h ef r i c t i o nm a c h i n e 3 2 3 金相试样制备与观察设备 金相试样镶嵌设备为上海金像机械设备有限公司生产的x q 1 型谚3 0 m m 金相试样 镶样机，填充材料为工业炭木粉。 3 2 3 拉伸实验设备 拉伸实验机采用济南试金集团的w i r d w d 1 0 0 d 型微机控制电子式万能试验机，加 载速度、载荷均通过电脑实时监控，并实现载荷与应力曲线的自动采集和测量。 3 3 实验方法 3 3 1 焊接准备与操作 ( 1 ) 焊前准备 在焊接前要将杆头和杆体清洗干净，尤其要将上面的油污去除，如果杆头和杆体的 焊接端面不平要在车床上平端面，以免影响焊接质量。 ( 2 ) 摩擦焊接 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 先将杆头放入摩擦焊机的卡钳处夹紧，再将焊前准备好的适当长度的杆体从另一侧 放入杆体夹持处夹紧，调整好本次焊接的各个参数，启动电机旋转并完成摩擦和顶锻的 过程。在焊接过程中要随时注意焊机状态，防止因夹持不牢和震动影响焊接质量。 ( 3 ) 飞边的去除 由于试验条件的限制，在焊接过程中不能及时冲去飞边，因此需要对焊后的试样进 行机械加工。摩擦焊过程中产生的飞边硬度很大，需要在机加工前进行消应力退火处理 以降低硬度，提高可切削性能。 3 3 2 焊后热处理 受到加热炉的空间限制，要把焊接接头加工成合适的尺寸以便进行热处理。鉴于制 作拉伸试样的要求，选择焊管的长度大约为1 7 0 i m ，并保证焊缝位于试件的中间位置。 在进行热处理操作时，各热处理工序均选择热炉装料，以利于控制保温时间。淬火 件冷却到室温后应立即清洗并及时回火，一般淬火回火时间间隔不超过4 h 。 3 3 3 金相组织分析 ( 1 ) 将所要观察分析的样品用线切割加工出焊缝剖面，由于需要分析的金相试样 较小并且有弧度，所以在磨样之前必须先镶样，才能保证进行金相观察和硬度测试的时 候满足设备要求。 ( 2 ) 将镶好的试样在粗砂轮上磨平，用不同粒度的砂纸依次打磨后抛光。将己抛 光的试样立即用水冲洗干净，并用酒精清洗，吹干后在显微镜下观察夹杂物的分布和形 貌，判断是否有灰斑、夹渣和未熔合现象。 ( 3 ) 用4 的硝酸酒精对需要进行金相组织分析的试样进行腐蚀，待腐蚀均匀用水 和酒精冲洗，吹干后在显微镜下观察并拍照记录。对于低倍组织的拍摄，可以选择用2 0 硝酸酒精擦拭，然后可观察出明显的组织分界。 3 3 4 硬度测定 焊缝硬度测定选用h v s 5 0 z l c d 数字式维氏硬度计测量。由于母材区的组织与焊 缝区组织有明显差别，因此在进行硬度测试的时候，首先从母材一侧选择测量起点进行 测量。记录后选择一个垂直于焊缝方向的标距，以此标距为基准向另一侧母材运动，每 隔0 5 i 砌取一次硬度值。待一组数据取完之后，向竖直方向移动一段距离重复上述操 作。每一个步长上的两次测量取平均值，并以距离为变量做图，从而通过曲线变化找出 焊缝两侧不同区域硬度值的变化规律。 17 第三章实验条件与实验方法 3 2 5 拉伸试验 g b 2 2 8 7 6 金属拉力试验法规定了管状金属进行纵向拉伸实验时制作板状试件的 方法，如图3 - 4 。其中为板状试样总长，为试样两头部间的平行长度，为试样原始 标距长度，b 为夹持部分宽度，b 为板状试样标距部分的宽度，a 为板状试样标距部分 厚度，r 为过渡圆弧半径。该实验测定的指标为屈服点吒，抗拉强度c r 6 ，以及伸长率万。 图3 - 4 管接头板状拉伸试样要求 f i 9 3 - 4 t b et e n s i i et e s ts p e c i m e na p p e a r a n c eo ft h ej o i n t 标准中规定对于外径d 0 小于等于3 0 眦l l 的管材可截取整个管段进行试验，对于外径 或大于等于3 0 m m 的管材，可剖管切取纵向试样。当管壁厚度a 小于8 n u n 时，纵向条 状试样按外径大小规定不同宽度b ，如表3 3 。 表3 - 3 不同管材外径下试样宽度 t a b l e 3 - 3t h et e n s i l et e s ts p e c i m e w i d t ho nd i f f e r e n td i a m e t e r 管材外径d 0 ( m m )试样宽度6 ( m m ) 3 0 一5 0 5 0 7 0 7 0 1 0 1 5 2 0 本试验中d 0 = 3 6 咖，因此取试样宽度6 为1 0 n 埘。 经计算取t 为4 0 m m 。对于板状试样两部间的平行长度z 要求不小于l + 6 ，在本试 验中，为5 1 i 砌。板状试样总长三根据拉伸实验机进行选择，过渡圆弧半径f 2 0 n l l l l 。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 综合g b 2 2 8 7 6 对拉伸试样各指标的要求，本试验选择的拉伸试样结构如图3 5 ： 图3 5 管接头板状拉伸试样要求 f i 9 3 - 5 t h et e n s i l et e s ts p e c i m e na p p e a r a n c eo ft h ej o i n t 1 9 第四章焊接参数选择及优化 第四章焊接参数选择及优化 4 1 摩擦焊工艺参数设计 空心抽油杆接头连续驱动摩擦焊接过程可分为4 个阶段：施加摩擦压力前的旋转阶 段；工件旋转向前施加压力阶段；保持摩擦压力并旋转的加热阶段；停