淺析連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝在開發(fā)重型釬桿中的應(yīng)用

楊華軍

（首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550005）

0 前言

摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當(dāng)時(shí)美國批準(zhǔn)了這種焊接方法的第一個(gè)專利。該專利是利用摩擦熱來連接鋼纜。隨后德國、英國、蘇聯(lián)、日本等國家先后開展了摩擦焊接的生產(chǎn)與應(yīng)用。我國是世界上研究摩擦焊接最早的國家之一，早在1957年就實(shí)驗(yàn)成功了鋁-銅摩擦焊。多年來，摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染的技術(shù)特色，深受制造業(yè)的重視，特別是不斷開發(fā)出摩擦焊接的新技術(shù)，如超塑性摩擦焊接、線性摩擦焊接、攪拌摩擦焊接等，使其在航空、航天、核能、海洋開發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

隨著液壓鑿巖機(jī)功率不斷加大，鉆孔直徑也隨著加大，肩沖式鉆具和管式鉆具的使用量也逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，隨著連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工藝技術(shù)的不斷成熟，其在長桿件及不同部位性能要求不同的零件加工上發(fā)揮出的優(yōu)勢越來越大。目前，國外Sandvik公司和Atlas公司將連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用在液壓鑿巖機(jī)用重型快換釬桿和導(dǎo)向釬桿的加工中，取得了良好的效果。通過采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝，降低了兩端螺紋的加工難度，提高了兩端螺紋的加工質(zhì)量，同時(shí)對不同零件的不同部位采用不同的材料及不同的熱處理工藝，使釬桿鑿巖壽命提高的同時(shí)降低了釬桿成本。采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊技術(shù)加工的產(chǎn)品范圍不斷擴(kuò)展，目前幾乎所有采用圓形中空鋼作為素材的重型釬均采用了連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝。為此Sandvik、Atlas等國外廠家采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝在市場上推出了高品質(zhì)重型快換釬桿以及提高鉆孔直線度的導(dǎo)向釬桿等系列鉆具。為滿足市場需求，提高企業(yè)的綜合配套能力，采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝開發(fā)高品質(zhì)重型快換釬桿以及導(dǎo)向釬桿系列產(chǎn)品迫在眉睫。

1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝實(shí)施分析及應(yīng)用

1.1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接的工作原理

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接是先進(jìn)的材料連接技術(shù)和制造技術(shù)，其工作原理見圖1，在生產(chǎn)過程中通常將待焊工件兩端分別固定在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具內(nèi)，工件被夾緊后，位于滑臺上的移動(dòng)夾具在主油缸壓力P1的作用下隨滑臺一起向旋轉(zhuǎn)端快速移動(dòng)，移動(dòng)至一定距離后開始按系統(tǒng)給定的工進(jìn)速度移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)端工件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下開始高速旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)工件在軸向力P1的作用下逐步向旋轉(zhuǎn)工件靠攏，兩側(cè)工件接觸并壓緊后，摩擦界面上一些微凸體首先發(fā)生粘接與剪切，并產(chǎn)生摩擦熱。隨著實(shí)際接觸面積增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面處溫度也隨之上升，摩擦界面漸漸被一層高溫粘塑性金屬所覆蓋。此時(shí)，兩側(cè)工件的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)際上已發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部，產(chǎn)熱機(jī)制已由初期的摩擦產(chǎn)熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘苄越饘賹觾?nèi)的塑性變形產(chǎn)熱。在熱激活作用下，這層粘塑性金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶冶金反應(yīng)，使變形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度（前峰值扭矩）后逐漸降低。隨著摩擦熱量向兩側(cè)工件的傳導(dǎo)，焊接面兩側(cè)溫度亦逐漸升高，在軸向摩擦壓力P2作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生徑向塑性流動(dòng)，從而形成飛邊，軸向縮短量逐漸增大。隨著摩擦?xí)r間延長，摩擦界面溫度與摩擦扭矩基本恒定，溫度分布區(qū)逐漸變寬，飛邊逐漸增大，此階段稱之為穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定。當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達(dá)到一定程度后，開始剎車制動(dòng)并使軸向摩擦力P2迅速升高到所設(shè)定的頂鍛壓力P3，此時(shí)軸向縮短量急驟增大，并隨著界面溫度降低，摩擦壓力增大，摩擦扭矩出現(xiàn)第二個(gè)峰值，即后峰值扭矩。在頂鍛及頂鍛后保壓過程中，焊合區(qū)金屬原子通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶冶金反應(yīng)，使兩側(cè)金屬牢固地焊接在一起，隨后旋轉(zhuǎn)夾具松開，滑臺后退，當(dāng)滑臺退到原位置時(shí)，移動(dòng)夾具松開，取出工件，焊接過程結(jié)束。在整個(gè)焊接過程中，摩擦表面金屬的塑性變形與流動(dòng)，防止了金屬的氧化，促進(jìn)了焊接金屬原子間的相互擴(kuò)散與再結(jié)晶冶金反應(yīng)；摩擦界面溫度一般不會(huì)超過熔點(diǎn)，故摩擦焊是固態(tài)焊接。它是一種固態(tài)連接技術(shù)，其焊合區(qū)為鍛造組織，故又稱“鍛焊”。

圖1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工作原理

1.2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝的特點(diǎn)

(1)優(yōu)質(zhì)。摩擦焊合區(qū)為鍛造組織，能獲得與母材等強(qiáng)乃至比母材超強(qiáng)的接頭；(2)高效。每件焊接時(shí)間以秒計(jì)，一般只需幾十秒，是其它焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的；(3)節(jié)能、節(jié)材、低耗。不需焊條、焊劑、釬料、保護(hù)氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極；(4)焊接性好，質(zhì)量穩(wěn)定。特別適合異種材料的焊接，與其它焊接方法相比，摩擦焊有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅的摩擦焊接等等；(5)環(huán)保，無污染。焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線；(6)可以實(shí)現(xiàn)同直徑、不同直徑的管材和棒材的焊接。

1.3 提高中空鋼成材率，降低生產(chǎn)成本

目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家采用“鉆孔法”軋制的中空鋼芯孔都呈橢圓形，芯孔尺寸大小不一，軋制成材率較低。由于生產(chǎn)重型釬對原材料中空鋼的幾何尺寸要求較高，每次生產(chǎn)重型釬之前都要對原材料中空鋼進(jìn)行分選，在沒有采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝之前，芯孔太偏的中空鋼都不能用于生產(chǎn)重型釬，直接當(dāng)廢鋼回收；還有對于分選合格的中空鋼在下料過程中也會(huì)產(chǎn)生不合尺寸的短料，也只能當(dāng)廢鋼回收。但是采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝以后基本上全都能利用起來，因?yàn)槲覀兺ㄟ^大量的礦山試驗(yàn)證明，重型釬的主要失效形式是螺紋磨損后螺紋根部產(chǎn)生疲勞裂紋斷裂，桿體磨損后一般不會(huì)斷裂，所以釬桿在使用過程中對桿體強(qiáng)度要求不是很高。因此我們可以采用偏芯料用作桿體，用孔比較正的中空鋼來加工螺紋，最后通過采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝將它們焊接在一起，再經(jīng)過后面的后續(xù)熱處理工藝以及礦山試驗(yàn)，結(jié)果證明是完全能夠達(dá)到重型釬的生產(chǎn)工藝要求的，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了中空鋼成材率。

1.4 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝的應(yīng)用

目前我國的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝應(yīng)用比較廣泛，可焊接直徑3.0～120mm的大截面管件，不僅可焊接鋼、鋁、銅等同種材料，而且還成功焊接了高溫強(qiáng)度級相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點(diǎn)共晶脆性化合物的異種金屬。如高速鋼與碳鋼、耐熱鋼與低合金鋼、高溫合金與合金鋼、不銹鋼與低碳鋼、不銹鋼與電磁鐵、銅與鋁等。

2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接接頭的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

2.1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接接頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下

幾點(diǎn)：

（1）在旋轉(zhuǎn)式摩擦焊的兩個(gè)工件中，至少要有一個(gè)工件具有回轉(zhuǎn)斷面。

（2）焊接工件應(yīng)具有較大的剛度，夾緊牢固，要盡量避免采用薄管和薄板接頭。

（3）同種材料的兩個(gè)焊件斷面尺寸應(yīng)盡量相同，以保證焊接溫度分布均勻和變形層厚度相同。

（4）在鍛壓溫度或熱導(dǎo)率相差較大的異種材料焊接時(shí)，為了使兩個(gè)零件的頂鍛相對平衡，應(yīng)調(diào)整界面的相對尺寸；為了防止高溫下強(qiáng)度低的工件端面金屬產(chǎn)生過多的變形流失，需要采用模子封閉接頭金屬。

（5）為了增大焊縫面積，可以把焊縫設(shè)計(jì)成搭接接頭。

（6）焊接大斷面接頭時(shí)，為了降低加熱功率峰值，可以采用將焊接端面倒角，使摩擦面積逐漸增大的結(jié)構(gòu)；還應(yīng)注意工件的長度、直徑公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。

（7）對于棒-棒和棒-板接頭，當(dāng)中心部位材料被擠出形成飛邊時(shí)要消耗更多的能量，而焊縫中心部位對扭矩和彎曲應(yīng)力的承擔(dān)又很少，所以，如果工件條件允許，可將一個(gè)或兩個(gè)零件加工成具有中心孔洞，這樣，既可用較小功率的焊機(jī)，又可提高生產(chǎn)率。

（8）待焊表面應(yīng)避免滲氮、滲碳等。

2.2 重型快換釬桿的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次礦山試驗(yàn)，重型快換釬桿的失效形式主要以螺紋磨損后螺紋根部產(chǎn)生疲勞裂紋斷裂失效為主，而非螺紋正常磨損失效，只有少部分釬桿從螺紋和桿體處疲勞斷裂。所以為了提高重型快換釬桿的使用壽命和鑿巖效率，必須對重型快換釬桿的結(jié)構(gòu)與工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)：桿體采用22CrNi3Mo中空鋼，兩端螺紋采用材質(zhì)為22CrNi3Mo芯孔較正的中空鋼加工，焊接端面采用加工存留槽的結(jié)構(gòu)，見圖2，由于兩端螺紋采用短件加工，可以提高機(jī)加工的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使其獲得較高的加工效率和表面光潔度；桿體采用加工存留槽的結(jié)構(gòu)，最后通過連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝將它們焊接在一起。其主要工藝規(guī)程為：軋制中空鋼→粗、精加工桿體及兩端螺紋→摩擦焊接→焊后正火、低溫回火→車外卷屑→滲碳熱處理→防腐處理。

圖2 重型快換釬桿的結(jié)構(gòu)

2.3 導(dǎo)向釬桿的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

導(dǎo)向釬桿要求釬桿內(nèi)外兩端中心孔小，桿體中心孔較大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3，這種中心孔變徑結(jié)構(gòu)采用常規(guī)中空鋼軋制工藝很難實(shí)現(xiàn)，用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝將兩端接頭與桿體焊為一體的方式是最合理的工藝。其主要工藝規(guī)程為：軋制中空鋼、實(shí)心棒料或鐓粗料→粗、精加工桿體端面及兩端螺紋→摩擦焊接→焊后正火、低溫回火→車外卷屑→滲碳熱處理→防腐處理。

圖3 導(dǎo)向釬桿結(jié)構(gòu)

3 重型快換釬桿以及導(dǎo)向釬桿的摩擦焊接工藝參數(shù)制定

3.1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接主要工藝參數(shù)

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接主要工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速、一級摩擦壓力、一級摩擦?xí)r間、二級摩擦壓力、二級摩擦?xí)r間、頂鍛壓力、頂鍛時(shí)間、工進(jìn)與快進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)夾緊油缸的壓力，移動(dòng)夾具夾緊油缸的壓力及變形量等。其中轉(zhuǎn)速和摩擦壓力是最主要的工藝參數(shù)，在焊接過程中，轉(zhuǎn)速與摩擦壓力直接影響摩擦轉(zhuǎn)矩、摩擦加熱功率、接頭溫度場、塑形層厚度以及摩擦變形速度等。在焊接過程中所產(chǎn)生的摩擦加熱功率為：

式中P——摩擦加熱功率

μ——摩擦系數(shù)

k——系數(shù)

ρ——摩擦壓力

v——摩擦相對運(yùn)動(dòng)速度

3.2 摩擦焊接工藝參數(shù)制定

為了得到質(zhì)量較好的焊接接頭，目前還沒有通用的計(jì)算公式來確定摩擦焊接工藝參數(shù)，主要是通過試驗(yàn)的方法制定。我們采用的是初步確定參數(shù)，然后根據(jù)多次模擬運(yùn)行情況和焊接后的飛邊形狀、取樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)、金相檢測結(jié)果分析以及礦山試驗(yàn)確定最終的合理工藝參數(shù)。

在實(shí)際摩擦焊接過程中，首先是確定頂鍛壓力，它主要是根據(jù)焊件材料的含碳量和硬度選擇，在實(shí)際工作中要根據(jù)該值換算到主油缸的壓力表顯示的表壓值進(jìn)行調(diào)定，主油缸所需的表壓力按下述公式計(jì)算：

式中P——主油缸后腔壓力，MPa

P3——焊件頂鍛壓強(qiáng)，N／mm2

A——焊件焊接截面積，mm2

S——主油缸后腔面積，mm2

K——常數(shù)(考慮空動(dòng)阻力而增加的表壓力數(shù)，大約為0.3-0.5MPa)

通常情況下，碳鋼頂鍛壓強(qiáng)在 100－260 N／mm2，頂鍛壓強(qiáng)P3是摩擦壓強(qiáng)P1的1.5-2倍。按上述計(jì)算公式，實(shí)際工作中我們采用摩擦焊接工藝焊接了20支R52×3660-T51快換釬桿，兩端螺紋采用材質(zhì)為22CrNi3Mo芯孔較正的軋制中空鋼加工，桿體為軋制中空鋼，根據(jù)焊接卷邊是否均勻及熱影響區(qū)的顏色，最后調(diào)整其焊接參數(shù)為：一級摩擦壓力P1為2.5 MPa，一級摩擦?xí)r間 t1為 1.5 s；二級摩擦壓力 P2為 3.5 MPa，二級摩擦?xí)r間t2為3 s；頂鍛壓力P3為5 MPa，頂鍛時(shí)間t3為6 s。其工藝規(guī)程為：軋制中空鋼、實(shí)心棒料或鐓粗料→粗、精加工桿體及兩端螺紋→摩擦焊接→焊后正火、低溫回火→車外卷屑→滲碳熱處理→防腐處理。

3.3 焊前處理

（1）焊件的摩擦端面必須平整，中心部位不得有凹面或中心孔，以防止焊縫中含空氣或氧化物；

（2）當(dāng)焊接端面上具有較厚的氧化層、滲氮層、滲碳層、油污等時(shí)，焊前應(yīng)清除；

（3）摩擦焊對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徑的1%。

4 焊接參數(shù)對焊接接頭質(zhì)量的影響

4.1 轉(zhuǎn)速對焊接接頭質(zhì)量的影響

當(dāng)工件直徑一定時(shí)，轉(zhuǎn)速代表摩擦速度。一般將達(dá)到焊接溫度時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界摩擦速度，為了使界面的變形層加熱到金屬材料的焊接溫度，轉(zhuǎn)速必須高于臨界摩擦速度。一般來講，低碳鋼的臨界摩擦速度為0.3 m/s左右，平均摩擦速度的范圍為0.6-3m/s。

在穩(wěn)定摩擦階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)，由于外圓的摩擦速度大，外側(cè)金屬的溫度升高，此時(shí)，摩擦表面的溫度比高速摩擦?xí)r低，摩擦扭矩和摩擦變形速度增大，并移向外圓，因此外圓的變形層較中心厚。這時(shí)變形層金屬非常容易流出摩擦表面之外，形成不對稱的肥大飛邊。這種接頭的溫度分布梯度大，變形層金屬容易被大量擠出，焊縫金屬迅速更新，能夠有效地防止氧化。

4.2 摩擦壓力對焊接接頭質(zhì)量的影響

為了產(chǎn)生足夠的摩擦加熱功率，保證摩擦表面的全面接觸，摩擦壓力不能太小。在穩(wěn)定摩擦階段，當(dāng)摩擦壓力增大時(shí)，摩擦扭矩增大，摩擦加熱功率升高，摩擦變形速度增大，變形層加厚，在壓力的作用下形成粗大而不對稱的飛邊。摩擦壓力大時(shí)，接頭的溫度分布梯度大，變形層金屬不容易氧化。在摩擦加熱過程中，摩擦壓力一般為定值，但是為了滿足焊接工藝的特殊要求，摩擦壓力也可以不斷上升，或采用兩級或三級加壓工藝。

4.3 摩擦?xí)r間與摩擦變形量對接頭質(zhì)量的影響

摩擦?xí)r間決定了接頭摩擦加熱過程，直接影響接頭的加熱溫度、溫度分布和焊接質(zhì)量。摩擦?xí)r間短，焊接表面加熱不完全，不能形成完整的塑性變形層，接頭上的溫度和溫度分布不能滿足焊接質(zhì)量要求。摩擦?xí)r間過長，接頭溫度分布寬，高溫區(qū)金屬容易過熱，摩擦變形量大，飛邊大，消耗的加熱能量多。選擇摩擦?xí)r間時(shí)，一般希望在摩擦終了的瞬間，接頭上有較厚的變形層或較寬的高溫金屬區(qū)，接頭有較小的飛邊；而在頂鍛焊接過程中產(chǎn)生較大的頂鍛變形量，使變形層的面積沿工件徑向有很大的擴(kuò)展，摩擦表面高溫金屬擠出，產(chǎn)生一定的飛邊。這樣整個(gè)飛邊的尺寸不大，但形狀封閉圓滑，有利于改善接頭的焊接質(zhì)量。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的摩擦?xí)r間通常在1～40 s之內(nèi)。當(dāng)摩擦變形速度一定時(shí)，摩擦變形量與摩擦?xí)r間成正比，因此常常用摩擦變形量代替摩擦?xí)r間來控制摩擦加熱過程。在焊接低碳鋼時(shí)，摩擦變形量可在1～10 mm的范圍內(nèi)選擇。

4.4 停車時(shí)間對焊接接頭質(zhì)量的影響

由于停車時(shí)間對摩擦扭矩、變形層厚度和焊接質(zhì)量有很大影響，因此應(yīng)根據(jù)變形層厚度正確選擇該參數(shù)。當(dāng)摩擦表面的變形層很厚時(shí)，停車時(shí)間要短；當(dāng)表面上的變形層比較薄時(shí)，為在停車階段能產(chǎn)生較厚的變形層，停車時(shí)間可以延長。有時(shí)為了改善焊接質(zhì)量，消除焊縫中的氧化物或脆性化合物層，必須增大停車時(shí)的變形層厚度。一般在停車前就施加頂鍛壓力，或停車時(shí)不制動(dòng)。但是，要防止過大的后峰值扭矩使接頭金屬產(chǎn)生扭曲組織，通常停車時(shí)間選擇范圍為0.1～1s。

4.5 頂鍛壓力與變形量對焊接接頭質(zhì)量的影響

頂鍛壓力的作用是擠碎和擠出變形層中的氧化金屬及其他有害雜質(zhì)，并使接頭金屬在壓力作用下得到鍛造，促進(jìn)晶粒細(xì)化，從而提高接頭力學(xué)性能。頂鍛變形量是頂鍛壓力作用的結(jié)果，如果頂鍛壓力太小，接頭質(zhì)量低；如果頂鍛壓力過大，會(huì)使接頭變形量增加，飛邊增大，嚴(yán)重時(shí)在焊縫金屬中形成低溫橫向流動(dòng)的彎曲組織，使接頭的疲勞強(qiáng)度降低。

頂鍛壓力的大小取決于焊接工件的材料、接頭的溫度及分布、變形層的厚度，此外還決定于摩擦壓力的大小。如果焊接材料的高溫強(qiáng)度高，就需要大的頂鍛壓力。如果接頭的溫度高，變形層較厚，就必須采用較小的頂鍛壓力。

5 對摩擦焊R52×3660-T51快換釬桿滲碳熱處理后進(jìn)行取樣分析

5.1 對摩擦焊接釬桿熱處理后取樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)

對摩擦焊R52×3660-T51快換釬桿取樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，其斷裂部位見圖4至圖5，都沒有從焊口處斷裂。試驗(yàn)證明摩擦焊接接頭強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度。

5.2 金相組織對比分析

隨爐試樣金相組織見圖6。

摩擦焊接試樣金相組織見圖7。

圖4 釬桿拉伸斷裂試樣

圖5 釬桿沖擊斷裂試樣

圖6 隨爐試樣金相組織

圖7 摩擦焊接試樣金相組織

兩組試樣的表層金相組織相當(dāng)，馬氏體、殘余奧氏體的級別均為3級。

硬度對比分析見表1。

表1

兩組試樣的硬度均符合快換釬桿生產(chǎn)工藝要求

顯微硬度、滲層對比分析隨爐試樣顯微硬度曲線見圖8、圖9。

兩組試樣的顯微硬度曲線坡度相當(dāng)，最高和最低顯微硬度值與洛氏硬度相對應(yīng)；隨爐試樣的有效硬化層深度為1.18 mm，摩擦焊接試樣的有效硬化層深度為1.13 mm，兩者相差0.05 mm；均達(dá)到釬桿的生產(chǎn)工藝要求。

這批試生產(chǎn)的20支R52×3660-T51快換釬桿分兩組發(fā)往礦山進(jìn)行現(xiàn)場鑿巖試驗(yàn)，其失效形式主要以螺紋正常磨損失效為主，少部分從桿體處疲勞斷裂，沒有從焊口處斷裂（見圖10、圖11），平均進(jìn)尺2205米，質(zhì)量接近國外先進(jìn)水平，受到了用戶的好評，從而驗(yàn)證了采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝開發(fā)高品質(zhì)重型釬桿的可行性。

圖8 隨爐試樣顯微硬度曲線

圖9 摩擦焊接試樣顯微硬度曲線

6 結(jié)語

（1）連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是利用焊件相對摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)材料可靠連接的一種焊接方法。其焊接過程是在壓力的作用下，相對運(yùn)動(dòng)的待焊材料之間產(chǎn)生摩擦，使界面及其附近溫度升高并達(dá)到熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用使界面氧化膜破碎，材料發(fā)生塑性變形與流動(dòng)，通過摩擦界面元素?cái)U(kuò)散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)而形成接頭。

圖10 進(jìn)尺2234米桿體斷裂

圖11 進(jìn)尺2194米螺紋磨損后根部斷裂

（2）連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊通常由如下四個(gè)步驟構(gòu)成：①機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能；②材料塑性變形；③熱塑性下穩(wěn)定的摩擦扭矩與軸向壓力；④分子間相互擴(kuò)散與再結(jié)晶冶金反應(yīng)。

（3）連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊相比傳統(tǒng)熔焊最大的不同點(diǎn)在于整個(gè)焊接過程中，待焊金屬升高到的溫度并沒有達(dá)到其熔點(diǎn)，即金屬是在熱塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的類鍛態(tài)固相連接。

（4）相對傳統(tǒng)熔焊，摩擦焊具有如下特點(diǎn)：焊接接頭質(zhì)量高，能達(dá)到焊縫強(qiáng)度與基體材料等強(qiáng)度；焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好、環(huán)保、無污染；焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線；可以實(shí)現(xiàn)同直徑、不同直徑的管材和棒材的焊接以及異種材料的焊接等。

（5）連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝為開發(fā)大孔徑導(dǎo)向釬桿奠定基礎(chǔ)，由于導(dǎo)向釬桿的合理結(jié)構(gòu)是兩端中心孔小而桿體中心孔大，這種中心孔變徑結(jié)構(gòu)采用常規(guī)中空鋼軋制成形很難實(shí)現(xiàn)，采用摩擦焊接工藝將兩端接頭與桿體焊為一體的方式是最合理的方法。

（6）提高中空鋼成材率，降低生產(chǎn)成本。

（7）實(shí)現(xiàn)短件化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，由于螺紋端和桿體單獨(dú)下料并單獨(dú)機(jī)加工，螺紋端的機(jī)加工將是短件加工，所以對車床主軸的磨損將大大減小，同時(shí)生產(chǎn)效率也會(huì)大大提高。

（8）通過理論計(jì)算和礦山試驗(yàn)是確定摩擦焊接工藝參數(shù)的最可靠方法。

（9）近年，鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，國家大力倡導(dǎo)技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整。為此連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接工藝的成熟將為研究、開發(fā)“高品質(zhì)、低成本的重型釬具產(chǎn)品”提供技術(shù)保障。

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