环形焊缝的摩擦焊接法

管道环形焊缝的摩擦焊接法
比利时的NV DENYS公司，经历过一系列的小规模试验后证实了对管道进行摩擦焊接这一新工艺过程的可行性。

取名叫Friex（-摩擦-和-爆炸-两个英语词汇前缀的结合）的焊接工艺程序，实际上是众所周知的摩擦焊接的一种新的变型。

1. 工作原理摩擦焊接是一种锻造焊接过程。

在压力作用下，两个管件表面之间发生摩擦，摩擦力产生热量形成焊缝。

两个表面之间的相对运动或摩擦要持续进行，直到产生足够的热量为止。

之后，停止摩擦，两部分便在足够的作用力下锻接在一起，形成焊缝。

在大多数应用场合下，都是对管件圆周或圆柱状零部件进行焊接，相对运动容易产生摩擦。

有两种不同的摩擦焊接方式，其不同点是将能量传入该系统的途径不同：有连续驱动方式，或利用储存的惯性能量进行方式。

传统的摩擦焊方法的不足之处是，对不能旋转的零部件不能够实施焊接。

管体可能有18m那么长，为了使摩擦焊接法能够用于管道焊接，开发出一种新的改型。

这种新的改型与传统的摩擦焊接方法的主要区别是：在刚性圆环形成过程中，采用不同的填充材料。

焊接圆环被放置在两根管子之间，在轴向压力下旋转焊接圆环，即可产生所需要的摩擦力和与之相关的热量。

当两部分组件相互接触时，在旋转的焊接圆环与两根管子之间的摩擦便可使接触区的温度升高，直至达到相互锻接的温度为止。

在此瞬间，焊接环的旋转很快停止，轴向压力随之升高到最终的锻接压力。

锻接压力可借助爆炸力（液动或气动）来施加。

2. 焊接过程摩擦焊接过程包括四个阶段：
（1）将焊接工件*近焊接环；
（2）使焊接工件与填充环接触，并使焊接环开始旋转；
（3）轴向压力开始上升，从而使温度升高，直至达到锻造温度为
（4）焊接环停止旋转并施以最后的锻造力。

第二个阶段为干摩擦阶段，此时使焊接组件在最初的低压下开始接触，以清理端面，使之达到预热程度，并在第三个阶段开始之前减小摩擦系数。

本阶段需要持续一段时间。

因为此时摩擦系数颇大，故需颇大的功率来旋转焊接圆环。

第三阶段压力开始升高，焊接组件之间的摩擦加大。

施焊材料变得脆弱并呈现 - 流淌 - 状态，即形成 - 烧化 - 的现象。

材料的 - 熔化 - 使污物从焊缝界面上清除掉。

，当预先设置的短管到达限定的位置时，本阶段的工作结束，旋转应尽可能快的停止。

第四个阶段即最后一个阶段，压力会上升到足以使焊接组件达到能锻接在一起的程度。

由于没有热输入，该阶段可对接合件进行附加的机械加工，以促进显微组织的进一步精细化。

可借助液压缸或气动锤冲击管端的方式施加锻造压力。

本阶段一旦结束，焊接过程便宣告完成，便可将焊接工件立即拆卸。

3. 摩擦焊接的优点
摩擦焊接是一种全自动焊接过程。

一旦确定了正确的焊接参数，技工即可操纵焊机工作。

其优点可概括如下：
（1）快速、灵活；
（2）焊接过程稳定并且可复验；
（3）焊接质量优异，不必依赖熟练焊工；
（4）可将准备工作量降到最低；
（5）无需焊剂或保护气体；
（6）对环境有利，不会产生焊接烟气或其它气体。

摩擦焊接造钻杆
钻杆的质量取决于钻杆管体、接头及焊接区域。

钻杆的失效形式主要是疲劳断裂、腐蚀疲劳和超载，失效部位主要在钻杆管体加厚过渡区、钻杆接头螺纹和焊缝区3个部位。

因此，研究和改进钻杆生产工艺技术，提高钻杆质量及使用寿命也应从这3个部位着手。

针对上述问题，目前国内外用于生产钻杆管体和接头的钢材大都选用专门的材料，专门设计钢的化学成分，如Cr-Mo 系列AISI4137HM钢，同时严格控制冶金工艺，增加钢的淬透性，细化晶粒，保证均匀的显微组织和机械性能及良好的可焊性能，保证均匀一致的硬度，增加材料韧性，提高钢的断裂韧性，延长疲劳裂纹孕育期。

上世纪70年代初，加压气焊及闪光对焊技术用于旧钻杆的修复和新钻杆的生产，但这两种焊接方法的焊接工艺参数不易控制，容易在焊接部位因粒状或块状氧化物和硅酸盐类非金属夹杂物残留在焊缝中，形成致命的浅平微坑状焊接灰斑缺陷。

存在灰斑缺陷的对焊钻杆在使用中极易导致早期脆性断裂，远不能满足钻井要求，因此这两种焊接方法逐渐被淘汰。

后来，为满足钻井技术对钻杆的要求，研究了一种新型钻杆生产技术———摩擦焊接工艺。

这种焊接方法由于加热时间短，热影响区狭小（焊缝两端均不超过20mm），焊接加压顶端能挤掉焊缝中产生的有害夹杂物微粒等，使钻杆焊接质量大大提高，避免了闪光焊等焊接方法易产生的各种有害焊接缺陷。

随着摩擦焊接工艺的不断改进和完善以及焊接参数控制程序化和自动化，焊接质量进一步稳定提高，且生产效率高、成本低。

当今摩擦焊工艺在钻杆生产工艺中占主导地位。

钻杆构件中，钻杆管体加工工艺最复杂，技术含量也最高，其生产工艺流程为:转炉或电炉炼钢→炉外精炼→连铸管坯→管坯验收→管坯环行炉加热→管坯穿孔→定径→连轧→再加热→张力减径→矫直→外表面检验→切头切定尺→内表面及尺寸检验→管端加厚→管端修磨及检验→调质热处理→热矫直→取样机械性能分析→纵、横向无损探伤及内外表面缺陷检查。

在管端加厚过程中，Miu和R不易达到合理的数值，这主要取决于镦粗设备及对温度梯度的控制，美国格兰特公司的钻杆管体在此方面处理较好。

国内钻杆接头质量已达到国外水平，通过引进先进的摩擦对焊机及焊接工艺，焊缝性能已稳定，若使用高质量的钻杆管体，国产钻杆的整体性能完全能达到进口钻杆的性能。