无磁钻杆是目前定向钻进技术装备重要的组成部分,面向超深孔的工程需求,钛合金/无磁钢组成的无磁钻杆是解决方案之一。无磁钻杆的制造方式采用摩擦焊接的方法所进行。通过工程前期试验,发现无磁钢/钛合金摩擦焊接接头具有虚接现象。该现象导致无磁钢/钛合金组成的无磁钻杆不能很好地应用于工程实践。由于无磁钢和钛合金热物理性不同,其摩擦焊接接头形成机理有别于现有同质材料摩擦焊成型的理论,所以对于无磁钢与钛合金摩擦焊虚接机理尚未得到解答。由于基础理论的缺失,不能对摩擦焊工艺设定提供有力的理论指导。因此,本文基于上述论述开展温度场以及界面组织与力学性能等研究,为求解虚接本质,提高无磁钢/钛合金摩擦焊接头强度奠定理论基础。本文首先进行无磁钢和钛合金旋转摩擦焊数值模拟研究,数值模拟结果表明,无磁钢/钛合金摩擦焊接头温度场、塑变流动场和应力场具有不对称性以及不同时性特征。焊接过程中钛侧最高温度大于钢侧,钢侧材料塑变流动速度大于钛侧,摩擦界面钛侧应力高于钢侧应力,而钢侧应变大于钛侧。压力小时,热输入小,导致界面产热少,焊接结束时,大部分区域处于低温区,无法实现良好的结合,随着摩擦压力增加,界面温度极值先升高后降低。摩擦界面温度随焊接增加而增加,随着焊接时间增加,温度扩散,钢侧变形严重,有鼓肚现象。随着钢侧不同锥度结构形式改变,焊接界面温度变化不大,锥度为5°以及10°时,工件成形良好,可有效地降低虚接现象,当锥度增大15°以及20°时,钢侧有一部分材料填充不足,工件成形较差。通过物理实验揭示了无磁钢/钛合金摩擦焊体系中,“虚接”现象的产生是由于材料摩擦产热不充足导致变形不足,变形不足使得钢侧软化不充分不利于界面结合;此外摩擦产热充足,使得界面形成了较厚的脆性金属间化合物,同样不利于界面结合。获得了通过降低转速,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。构建了以外缘处化合物厚度为标准消除“虚接”现象界面化合物的厚度判据,当厚度大于12-15μm时易产生虚接。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,改善钢侧变形促进连接,消除“虚接”现象,改善性能,验证了端面设计方法是提高力学性能的有效手段之一。