CN102581515A

CN102581515A - 一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝

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Publication number: CN102581515A
Application number: CN2012100717547A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 周正; 刘希学; 蒋建敏; 王智慧; 崔丽; 李晓延
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: CN102581515B

Abstract

一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，属于材料加工焊接材料领域。采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35％，药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：硼铁：15-27％；钛粉：0.6-2.3％；铌铁：8.5-18.5％；镍粉：4.5-7.5％；电解锰粉：4-6％；硅铁：4-18％；石墨：2.5-7％，余量为铁粉。堆焊工艺参数设定为：电压：26-29V；电流：260-290A；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。本发明不含铬元素，是一种环境友好型焊接材料；具有高耐磨兼高抗裂性的综合性能；堆焊工艺性好，焊缝成形美观。

Description

一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工焊接材料领域，具体涉及一种用于堆焊钻杆接头耐磨带药芯焊丝。

背景技术

随着现代钻井技术的发展，超深井、大斜度井、大位移井大量出现，带来了钻井时间延长、钻杆作用在套管上侧向力增高等一系列问题，使的钻杆与套管的磨损这一问题越来越突出。钻杆接头耐磨带的出现，对解决这一问题起到了关键性的作用。钻杆接头耐磨带有着优于接头本身的耐磨性能，同时能够降低对套管的磨损，因而耐磨带技术在钻井中得到越来越多的应用，并且成为国际重大石油勘采项目招标时，要求投标方中标必备的技术条件之一。

目前，广泛使用的耐磨带堆焊药芯焊丝主要是以高铬铁基合金为主的药芯焊丝，这类堆焊材料通过加入大量的铬元素形成碳化物硬质相来提高耐磨带耐磨性，然而在焊接过程中却不可避免的出现裂纹，可能导致钻杆耐磨带的失效，与此同时，药芯焊丝中铬元素的加入，使得焊接过程中会产生大量的烟尘和有毒气体，对环境产生污染。因此，以硼、铌元素代替铬元素来强化基体，从而提高耐磨带的耐磨性，适应了环境可持续发展的环保理念。

发明内容

本发明的目的在于解决当前堆焊材料出现的抗裂性不足的问题，同时减少现有焊接材料在使用过程中对环境的污染问题，提供一种不含铬元素的钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝。

本发明所提供的钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带(优选SPCC碳钢钢带)包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35％，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：硼铁：15-27％；钛粉：0.6-2.3％；铌铁：8.5-18.5％；镍粉：4.5-7.5％；电解锰粉：4-6％；硅铁：4-18％；石墨：2.5-7％，余量为还原铁粉。本发明钻杆耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：

1、将轧钢带成U形槽，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重20-35％的药芯粉末；

2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm，得到最终产品。

采用上述的药芯焊丝制备一种含弥散分布NbC、Fe₂B硬质相的铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为1.6mm的药芯焊丝；

(2)采用二氧化碳气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为：电压：26-29V；电流：260-290A；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。

所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.3-1.0％；B：0.5-1.2％；Ti：0.1-0.6％；Nb：1.0-2.0％；Ni：0.8-1.3％；Mn：0.6-1.2％；Si：0.3-1.3％；Fe：余量。

优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为：硼铁：17-26％；钛粉：0.8-2.2％；铌铁：10-18％；镍粉：5-7％；电解锰粉：4.5-5.8％；硅铁：6-17％；石墨：3.5-6.5％，余量为还原铁粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.5-0.9％；B：0.7-1.16％；Ti：0.2-0.55％；Nb：1.5-1.9％；Ni：0.85-1.25％；Mn：0.7-1.15％；Si：0.5-1.24％；Fe：余量。

进一步优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为：硼铁：17.5-25％；钛粉：0.85-2％；铌铁：12-16％；镍粉：5.5-6.5％；电解锰粉：4.8-5.5％；硅铁：7-16％；石墨：4-5.5％，余量为还原铁粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.54-0.85％；B：0.75-1％；Ti：0.25-0.5％；Nb：1.55-1.7％；Ni：0.9-1.16％；Mn：0.8-1.0％；Si：0.6-1.1％；Fe：余量。

其中各种粉作用如下：

硼铁：向焊缝金属过渡硼元素，主要是为了获得高硬度的硼化物，从而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度及相对耐磨性随着硼含量的增加而提高，但硼含量过高易引起“硼脆”，降低合金耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中B含量为0.5-1.2wt.％，对应药芯焊丝中加入的硼铁含量为15-27wt.％。

钛粉：减少氧化，提高元素过渡系数，细化晶粒，提高韧性。

铌铁：向焊缝金属过渡铌元素，形成的NbC相具有高硬度、高模量、较高抗弯强度，低摩擦系数，能有效细化晶粒等特点，是钻杆工况下一种理想的硬质相，但铌含量过高会导致基体中相对碳含量减少，降低了堆焊合金的硬度及耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中Nb含量为1.0-2.0wt.％，对应药芯焊丝中加入的铌铁含量为8.5-18.5wt.％。

镍粉：考虑到B元素可能带来的淬硬性，通过加入适量镍粉过渡Ni元素，增强耐磨带基体的韧性与强度。

电解锰粉、硅铁：利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。

还原铁粉：填补余量。

钻杆耐磨带堆焊合金采用二氧化碳气体保护焊工艺制备，根据不同壁厚的钻杆要求，焊接电流选择260-290A；电压26-29V；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。采用这一工艺参数能够制备出符合钻杆工况要求的耐磨带堆焊合金层。

与现有材料相比，本发明的优点是：

1、放弃铬元素的使用，减少了对环境的污染，是一种环境友好型焊接材料。

2、采用本发明药芯焊丝堆焊的合金组织晶粒细小，形成的NbC硬质相和细小的Fe₂B硬质相弥散的分布在基体上，从而保证了高耐磨兼高抗裂性的综合性能。

3、堆焊工艺性好：无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后耐磨带不出现裂纹，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成形美观。

附图说明

图1：本发明钻杆接头耐磨带堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图；

图2：实施例3中堆焊熔敷金属EBSD图；

图3：实施例3堆焊熔敷金属XRD图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的SPCC碳钢钢带，药芯焊丝药芯成分在实施例中具体说明，所选粉末分别过60目筛子，将所选各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后分别经过直径为：3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm，得到钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝。

2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为：电压：26-29V；电流：260-290A；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。

实施例1

取硼铁1.5千克、钛粉0.06千克、铌铁0.85千克、镍粉0.45千克、电解锰粉0.4千克、硅铁0.4千克、石墨0.25千克，还原铁粉6.09千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为20％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.3wt.％；B：0.5wt.％；Ti：0.1wt.％；Nb：1.0wt.％；Ni：0.8wt.％；Mn：0.6wt.％；Si：0.3wt.％；Fe：余量。

实施例2

取硼铁1.7千克、钛粉0.08千克、铌铁1.0千克、镍粉0.5千克、电解锰粉0.45千克、硅铁0.6千克、石墨0.35千克，还原铁粉5.32千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为23％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.5wt.％；B：0.7wt.％；Ti：0.2wt.％；Nb：1.5wt.％；Ni：0.85wt.％；Mn：0.7wt.％；Si：0.5wt.％；Fe：余量。

实施例3

取硼铁1.75千克、钛粉0.085千克、铌铁1.2千克、镍粉0.55千克、电解锰粉0.48千克、硅铁0.7千克、石墨0.4千克，还原铁粉4.835千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为25％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.54wt.％；B：0.75wt.％；Ti：0.25wt.％；Nb：1.55wt.％；Ni：0.9wt.％；Mn：0.8wt.％；Si：0.6wt.％；Fe：余量。所得堆焊熔敷金属EBSD图见图2，XRD图见图3。

实施例4

取硼铁2.5千克、钛粉0.2千克、铌铁1.6千克、镍粉0.65千克、电解锰粉0.55千克、硅铁1.6千克、石墨0.55千克，还原铁粉2.35千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为28％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.85wt.％；B：1.0wt.％；Ti：0.5wt.％；Nb：1.7wt.％；Ni：1.16wt.％；Mn：1.0wt.％；Si：1.1wt.％；Fe：余量。

实施例5

取硼铁2.6千克、钛粉0.22千克、铌铁1.8千克、镍粉0.7千克、电解锰粉0.58千克、硅铁1.7千克、石墨0.65千克，还原铁粉1.75千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.9wt.％；B：1.16wt.％；Ti：0.55wt.％；Nb：1.9wt.％；Ni：1.25wt.％；Mn：1.15wt.％；Si：1.24wt.％；Fe：余量。

实施例6

取硼铁2.7千克、钛粉0.23千克、铌铁1.85千克、镍粉0.75千克、电解锰粉0.6千克、硅铁1.8千克、石墨0.7千克，还原铁粉1.73千克，将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35％，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：1.0wt.％；B：1.2wt.％；Ti：0.6wt.％；Nb：2.0wt.％；Ni：1.3wt.％；Mn：1.2wt.％；Si：1.3wt.％；Fe：余量。

对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、耐磨损实验、抗裂性实验，测试结果如下表1所示。

采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔敷金属取十点打硬度，最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。

耐磨性实验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。磨损试样尺寸为57×25.5×6mm，试验参数如下：橡胶轮转速：240r/min；橡胶轮直径：178mm；橡胶轮硬度：60(邵尔硬度)；载荷100N；橡胶轮转数：预磨1000转、精磨4000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。实验用Q36CrNiMo4钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。

抗裂性试验时，在保证焊前不预热，焊后不进行热处理的前提下，在未经过堆焊的石油钻杆接头上连续堆焊3层，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术显示焊道上的裂纹情况。

表1实施例1-6熔敷金属的硬度、相对耐磨性和抗裂性

Claims

1.一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35％，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：硼铁：15-27％；钛粉：0.6-2.3％；铌铁：8.5-18.5％；镍粉：4.5-7.5％；电解锰粉：4-6％；硅铁：4-18％；石墨：2.5-7％，余量为还原铁粉。

2.按照权利要求1的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝外皮所用带材为SPCC碳钢钢带。

3.按照权利要求1或2的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，药芯成分质量百分含量为：硼铁：17-26％；钛粉：0.8-2.2％；铌铁：10-18％；镍粉：5-7％；电解锰粉：4.5-5.8％；硅铁：6-17％；石墨：3.5-6.5％，余量为还原铁粉。

4.按照权利要求3的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，硼铁：17.5-25％；钛粉：0.85-2％；铌铁：12-16％；镍粉：5.5-6.5％；电解锰粉：4.8-5.5％；硅铁：7-16％；石墨：4-5.5％，余量为还原铁粉。

5.采用权利要求1的药芯焊丝制备一种含弥散分布NbC、Fe₂B硬质相的铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.3-1.0％；B：0.5-1.2％；Ti：0.1-0.6％；Nb：1.0-2.0％；Ni：0.8-1.3％；Mn：0.6-1.2％；Si：0.3-1.3％；Fe：余量。

7.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.5-0.9％；B：0.7-1.16％；Ti：0.2-0.55％；Nb：1.5-1.9％；Ni：0.85-1.25％；Mn：0.7-1.15％；Si：0.5-1.24％；Fe：余量。

8.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.54-0.85％；B：0.75-1％；Ti：0.25-0.5％；Nb：1.55-1.7％；Ni：0.9-1.16％；Mn：0.8-1.0％；Si：0.6-1.1％；Fe：余量。