无磁钻杆钛/钢旋转摩擦焊界面适配机理及力学性能相关性研究

With the national economic development and serious energy shortage, China 2025 strategy proposed that it was better to explore and develop deep land resources and deep sea resources. Directional drilling technology is a necessary means of this strategy, and rotary friction welded titanium/steel nonmagnetic drill pipe is an important carrier of directional drilling technology. The quality of friction welded joint directly determines the success or failure of this strategy. This project is aimed at the virtual connection of rotary friction welded titanium/steel joint. Based on numerical simulation, it revealed the coupling evolution mechanism of interface temperature field and deformation field. The mechanism of interface adaptation and the disappearance of physical contact interface of titanium/steel joint are revealed from the perspective of macroscopic deformation, and the physical nature of friction welding are also explored. From the perspective of macro-microscopic-mesoscopic, it tries to explain the relationship among macroscopic interface deformation, microscopic phase formation and mesoscopic phase interface. In order to find the nature of virtual connection of dissimilar joint, this project investigates the effect of interface adaptation on the mechanical properties via the mechanical property test, and establishes the model for the interface adaptation and mechanical performance. The research results have not only provide theoretical guidance for the design of friction welding process, but also offer a strong scientific basis for the safe application of titanium/steel nonmagnetic drill pipe in energy strategy, and provide new supplement to the development and improvement of dissimilar metal friction welding theory.

随着国家经济发展，能源短缺问题愈来愈严重，国家2025提出了深地和深海资源勘探和开发的战略，定向钻进技术是战略实施的必要手段，其中旋转摩擦焊钛/钢无磁钻杆是定向钻进技术重要载体，摩擦焊接头质量直接决定了国家战略实施的成败。本项目针对钛/钢旋转摩擦焊接头虚接问题，基于数值模拟，揭示界面温度场及变形场耦合演变机制；基于摩擦焊试验表征，从界面宏观变形的视角，揭示界面适配机制及钛/钢物理接触界面消失机理，探明摩擦焊焊接性物理本质；从宏观-微观-介观三观融合的尺度，阐释宏观界面变形与微观相生成、介观相界面相关性；基于力学性能试验，诠释界面适配对力学性能影响机制，建立界面适配与力学性能控制模型，探明虚接现象本质。其成果不仅为摩擦焊工艺设计提供理论指导，也为能源战略中关键装备钛/钢无磁钻杆的安全应用提供有力的科学依据，更对异种金属摩擦焊理论的发展和完善提供新的补充。

本项目围绕无磁钢/钛异质组配摩擦焊过程中的“虚接”现象，基于异种材料摩擦焊本质，从产热、变形两个角度切入，以摩擦转速为主要变量，首先通过数值模拟手段，揭示不同转速下，钢/钛异质接头界面温度场变形场耦合机制；接着，通过数值模拟手段结合急停实验，揭示界面宏观变形对界面演变的影响；以此为数据支撑，深入揭示不同参数下，界面宏观变形与微观相形成、介观相界面、界面反应层厚度的相关性；最后，通过设计不同的端面结构，研究界面适配与接头力学性能的相关性。结果表明，无磁钢/钛合金虚接现象的实验表征为，焊接工艺循环后，可以获得外观良好的接头，但是在线切割加工拉伸试样过程中，界面发生断裂。在钢/钛的摩擦焊体系中，“虚接”现象的产生的本质是由于材料摩擦产热充足而变形不足导致的。摩擦产热充足，使得界面形成了较厚的脆性金属间化合物；变形不足使得钢侧软化不充分不利于界面结合。通过揭示转速—界面变形—界面反应层厚度的相关性，提出了通过降低转速，提高扭矩，改善钢侧变形促进连接，减小界面产热抑制金属间化合物，由此消除“虚接”现象的工艺方法，并且获得了对于直径25mm直径的无磁钢/钛接头，其消除虚接的临界转速为900rpm，对应的宏观表征为摩擦扭矩峰值100Nm。同时，获得了消除“虚接”现象无磁钢/钛界面化合物的厚度判据。结合界面变形驱动及不同参数下界面化合物厚度的表征结果，发现，界面变形起始于外缘，此处也是化合物厚度最大的位置。以外缘处化合物厚度为判据，当厚度大于12-15 微米时，无磁钢/钛体系易产生虚接。在此基础上，建立了通过设计界面适配形式，提高扭矩，改善钢侧变形促进连接，消除“虚接”现象改善性能的端面设计方法。通过在钢侧预制圆弧形、三角形端面，可以更为有效地增大扭矩，对钢侧进行软化，改善成形稳定性。研究结果将为无磁钢/钛体系摩擦焊接头的成形稳定性提供支撑。