钢管径向摩擦焊接过程中热-力耦合的数理分析

径向摩擦焊在轴对称管件连接方面具有不可替代的优势，在石油石化及兵工行业中具有广阔的应用前景，但如径向环径向夹持力的加载-卸载规律、摩擦热功率输出变化规律、三维温度场、应力应变场等热-力耦合等基本理论问题都缺乏深入系统地研究。本课题以钢管对接径向摩擦焊为例，采用热-力耦合有限元方法，充分考虑径向摩擦焊接过程中的产热机制，以摩擦副表面状态及焊接工艺参数为依据，建立径向摩擦焊热源数理模型，对径向摩擦焊三维温度场、流场及应力-应变场等热-力耦合过程进行数值分析，揭示径向摩擦焊接过程中径向环夹持力的加载-卸载规律、摩擦界面摩擦系数的变化规律、应力场-温度场的耦合规律等热-力耦合机制，为径向摩擦焊接工艺的制订与优化奠定理论基础。课题的研究不仅对揭示径向摩擦焊接机理具有一定的科学意义，还为后续径向摩擦焊的基础研究和设备开发提供技术数据，促进径向摩擦焊技术在我国的发展及其在石油石化和兵工行业的推广与应用。

径向摩擦焊在管道及兵工行业具有广阔应用前景，其在高温高压高速下的热-力耦合过程是径向摩擦焊接头性能控制的基础，本课题对径向摩擦焊接过程中热-力耦合机制进行了数理分析。. 自主设计开发了80T连续驱动径向摩擦焊机和130T轴/径向惯性摩擦焊机，以37CrMnMo钢管和45钢为径向环的径向摩擦工艺实验表明，得到性能高于径向环母材、无缺陷的接头，且接头未出现软化区。惯性径向摩擦焊飞轮初始转速为530-560rpm时，接头成形美观，飞边均匀。基于半自然热电偶测温结果表明，摩擦界面峰值温度达到1115℃。. 分别采用库伦模型和Johnson-Cook本构方程描述焊接过程中摩擦行为和材料力学性能变化，应用Mesh to Mesh网格重划分技术解决了摩擦焊接飞边挤出时的大变形问题，径向摩擦焊接温度场的计算结果表明，界面中心点温度在一级摩擦阶段迅速升高，二级摩擦阶段稳定在1300℃左右，顶锻阶段迅速下降到1120℃。基于ANSYS有限元软件数理分析了径向摩擦焊接产热过程，并合理处理了飞边挤出带走热量。结果表明，在一级摩擦阶段，产热功率先迅速上升，达到峰值后迅速下降；在二级摩擦阶段，产热功率缓慢下降，材料挤出对产热影响较小，但会带走大量热量。在顶锻阶段，产热功率迅速下降至0。摩擦压力和转速只影响峰值功率，而对稳定产热功率影响较小，这个结论为设备能否完成摩擦焊接提供有力判据。采用DEFORM有限元软件研究了径向摩擦焊接塑性流变场和等效应力场，径向环中的等效应力表征材料变形抗力。在初始阶段摩擦，径向环温度较低，处于弹性变形阶段，达到塑性状态的材料较少，材料变形抗力较大，界面材料塑性流动速度低，为滑动摩擦。随着焊接进行，界面温度不断升高，达到塑性状态的材料越来越多，变形抗力降低，等效应力迅速减小；在摩擦力驱动下发生塑性流动。焊接过程中，周向流动速度比较稳定，钢管外缘材料运动速度为2480 mm/s，远大于径向环摩擦界面上20mm/s的材料流动速度，表明摩擦界面上材料的迁移速度较慢，产热以滑动产热为主。摩擦界面温度稳定后，径向环中等效应力维持在150MPa左右。. 研究结果初步揭示了径向摩擦焊接过程中热-力-材料耦合机理，为径向摩擦焊接工艺的制订与优化及设备开发奠定理论基础，将促进径向摩擦焊接技术在我国油气输运和兵工行业的推广和应用。