CN104259651A - 无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法 - Google Patents

无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油钻井装置加工技术领域，具体为一种无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法。要解决的技术问题是在制备无磁钻具中，使用无磁钢材和４１４５Ｈ两种不同材料之间的摩擦焊接问题。方案是，两种材料分别为使用无磁材料制成的接头与4145H材料制成的管体；所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少；焊接前对无磁材料进行激光衍射预热，按确定好的焊接参数进行焊接，当摩擦焊口降到室温后，盖上液态氮气罩对无磁接头部分焊口进行-150℃深冷处理。解决了异型金属材料的摩擦焊接问题，通过本技术将低成本的碳钢作为钻具的中间部分，因而成本降低，性能提高数倍，接头部位在实用中没有断裂过，完全达到客户需求。

Description

无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于石油钻井装置加工技术领域，具体为一种无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法。
背景技术
摩擦焊接是一种固态焊接方法。是以摩擦热为热源，通过机械摩擦运动及施加轴向压力使两摩擦表面加热到塑性状态，然后利用此热量将同种金属、异种金属联接起来。多年来，摩擦焊接以其优质、高效、节能、无污染的技术特色，深受制造业的重视。
目前存在的技术难点，摩擦焊接技术的应用基本上都是在同等材料之间或者接近材料之间。但是在不同密度的材料之间和不同熔点材料之间，非磁材料和合金钢材之间的摩擦焊接技术的研究和应用一直是空白。由于电化学的电池作用使得这一领域成为禁区。同时，由于异种材料的熔点、导热率、以及塑性流动能力相差较大，工艺参数的选择较同种材料的摩擦焊接有较大差别。按照普通的摩擦焊接技术，这两种材料差异较大的工件，不能达到焊接技术要求。其他传统工艺的液相焊接技术和普通的摩擦焊接技术在不同金属类型材料之间焊接后极易产生电池腐蚀效应，不能满足产品即能防止电池腐蚀又抗磁性要求。但是，大量生产实践中又需要高性能的贵重耐腐蚀金属材料与普通合金钢的焊接。
无磁钻具是石油开采定向钻井中用到的一种装备，主要作用隔离地球磁场，其材料组成主要有高锰钢系列或铜镍系列。除了价格昂贵，还有高抗腐蚀特点，如果不计较成本，整个钻具全部使用无磁钢或高强度防腐蚀钢当然很好，价格是普通碳钢的5倍以上。但是我们改进的愿望是制造一种整体使用无磁钢或高强度防腐蚀钢与普通合金钢摩擦焊接加工，中间部分采用普通合金钢制成的钻具。因此，我们决定研究开发一种将普通碳钢石油钻具两端接头替换为无磁钢、高强度防腐蚀钢接头，而中间管体采用普通碳钢的加工技术，以使钻具成本极大降低，性能不变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在制备无磁钻具中，使用无磁钢材和4145H两种不同材料之间的摩擦焊接问题。
本发明的技术方案，一种无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法，两种材料分别为使用无磁材料制成的接头与4145H材料制成的管体；所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少；然后将加工好的端面焊接，焊接前对无磁材料进行激光衍射预热，预热温度为350-450℃，按确定好的焊接参数进行焊接，其中顶锻分三次顶锻，每次间隔1.2s，控制塑性变形量20-30mm，顶锻后当焊缝温度下降到800－820C时喷水，喷到无磁材料侧，检测4145H钢表面温度下降到680度后停止喷水，让无磁材料端利用4145H钢余热自行渗透回火，当摩擦焊口降到室温后，盖上液态氮气罩对无磁接头部分焊口进行-150℃深冷处理。
为了最大可能均衡和消除不同材料之间的内应力，本发明对焊接后产品采用全长整体振动时效处理技术进行加工处理。
所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少20%，具体尺寸参数为：其中4145H材料接头加工参数，外径168.3mm，内径71.4，长度大于等于2.5米长； 4145H材料距端150mm长，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将71.4内径45°倒角成直径98.7mm；
无磁材料管体参数，外径168.3mm，内径71.4，400mm长，无磁材料接头车内径98.7mm，深度10mm的止口，内径98.7mm止口与内径71.4mm是用45度斜坡过渡，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将98.7mm内径的端面倒2×45°倒角，端面车3度角。
与现有摩擦焊接技术相比，本发明的创新点在于：
1．对焊结构采取非等截面积方案，由于无磁材料与4145H钢的导热率相差很大，故不能等截面积，等温场处理焊缝。因此，无磁材料设计的焊接截面积较4145H材料对接的焊接截面积要少一定数值；
具体是，无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法，两种材料分别为使用无磁材料制成的接头与4145H材料制成的管体，所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少20%。
2．焊接前的激光预热方案，焊接前对无磁材料进行预热，预热温度为350-450℃，为了防止电加热使无磁材料着磁的问题，本发明采用对无磁材料进行激光预热，预热温度为350°-450°，预热采用激光衍射预热方法进行，无磁料和装有激光的导热体一起用石棉布包裹装入摩擦焊机内；在开始焊接前将激光预热导体取出。
3．摩擦焊后分段热处理
焊接参数：一级摩擦压力4.8MPa，二级摩擦压力10MPa，顶锻压力18MPa，时间20s，双边变形量20-30mm，接头对方管体同轴度≤2；
按确定好的焊接参数进行焊接，其中顶锻分三次顶锻，每次间隔1.2s，控制塑性变形量20-30mm，当温度800-820℃时喷水，喷到无磁钢侧，不能喷到焊缝和4145H钢材侧，对焊缝和4145H侧进行隔离保护，检测4145H断面温度下降到680℃后停止喷水，让无磁材料端利用余热自行回火。
4．采用深冷技术处理摩擦焊口
当摩擦焊口降到室温后，盖上液态氮气罩对无磁接头部分焊口进行-150℃深冷处理，进行微形变处理。
5．对焊接后的钻具采用振动时效技术进行全长应力均衡处理，为了最大可能均衡和消除不同材料之间的内应力，本发明采用对焊接后产品全长整体振动时效处理技术。
综合来说，本发明所述焊接工艺，将普通碳钢石油钻具两端接头替换为无磁钢、高强度防腐蚀钢接头，而中间管体采用普通碳钢加工。由于异种材料的熔点、导热率、以及塑性流动能力相差较大，工艺参数的选择较同种材料的摩擦焊接有一定差别。本发明所述摩擦焊接技术解决了异型金属材料的摩擦焊接问题，通过本技术将低成本的碳钢作为钻具的中间部分，因而成本降低，性能提高数倍，接头部位在实用中没有断裂过，完全达到客户需求。
附图说明
图1为本发明两个焊接部分的结构示意图；
图2为预热部分结构示意图；
图3为通过现有摩擦焊接技术得到的产品接口处结构图（焊接不达标）；
图4为图3所示意中金相组织显微照片；
图5为按照本发明焊接工艺后的产品照片；
图6为图5所述产品的金相组织照片；
图7为焊口检测图（碳钢组织为回火索氏体+条状铁素体）。
具体实施方式
一种无磁金属材料与异形金属材料的摩擦焊接方法，如图1所示意，原材料使用无磁材料（无磁钢）制成的接头1与4145H材料制成的管体2；
所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少20%，具体参数如下：
无磁材料管体1参数，外径168.3mm，内径71.4，400mm长，硬度和机械性能符合API 7-1要求。无磁材料接头1车内径98.7mm，深度10mm的止口，内径98.7mm止口与内径71.4mm是用45度斜坡过渡，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将98.7mm内径的端面倒2×45°倒角，端面车3°角，其中AISI 4145H材料接头2加工参数，外径168.3mm，内径71.4，长度大于等于2.5米长；热处理后硬度和机械性能符合API 7-1要求。 
 4145H材料2距端150mm长，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将71.4内径45°倒角成直径98.7mm；
然后将加工好的两个端面摩擦焊接，如图2所示意，焊接前使用导热体3和连接轴4对无磁材料1进行预热，预热温度为350°-450°，预热采用激光衍射预热方法进行，无磁材料1和导热体（内装有激光发热器）3一起用石棉布包裹装入摩擦焊机内；
焊接参数：一级摩擦压力4.8MPa，二级摩擦压力10MPa，顶锻压力18MPa，时间20s，双边变形量20-30mm，接头对方管体同轴度≤2；
按确定好的焊接参数进行焊接，其中顶锻分三次顶锻，每次间隔1.2s，必须给时间使金属充分渗透，加大塑变区域，充分控制塑性变形量20-30mm，顶锻后立即盖上液态氮气罩对无磁接头部分焊口进行深冷处理，进行形变固溶处理，当温度800-820℃时喷水，喷到无磁钢侧，不能喷到焊缝和4145H钢材侧，对焊缝和4145H侧进行隔离保护，检测4145H断面温度下降到680℃度后停止喷水，让无磁端自行回火，回火温度630-650℃。
焊接尺寸设计计算过程：由于无磁材料的导热率低于4145H，因此将无磁材料的焊接面积减少20%；于是4145H材料采用外径是168.3、内径是71.4，在无磁材料外径尺寸不变也是168.3时，无磁内径尺寸的计算数是：［168.32－0.8×（168.32－71.42）］1/2=98.7；无磁接头料要求外径168.3mm，车内径98.7mm，长度10mm的止口，内径98.7mm止口与内径71.4mm是用45度斜坡过渡，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将98.7mm内径的端面倒2×45°倒角，端面车3度角。AISI 4145H材料距端150mm长，外径车成168.3mm，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将71.4内径45°倒角成直径98.7对焊。
焊前预热：无磁材料熔点1600-1800 ℃,而4145H材料熔点1400-1500 ℃，两者相差几百度，由于无磁材料导热率低于4145H，屈服很差，因此需要对无磁材料进行预热，使他们同时屈服，预热温度为350°-450°，预热采用激光衍射预热方法进行，无磁料和导热体一起用石棉布包裹装入摩擦焊机内，焊前取出导热。
摩擦焊后检测后处理：
1、先去除内外飞边。
2、对焊缝和热影响处进行硬度检验。
3、进行超声波探伤检测并做记录。
4、进行压弯检测，压弯压力控制在7MPa-9MPa之间；转动工件进行四个方向压弯检测。
5、按焊接取试样要求进行取机械性能和金相分析试样，取测弯试样和低倍试样；进行机械性能和金相分析，进行测弯检测和低倍检测。
本发明焊口性能实验报告

Claims (3)

1.一种无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法，其特征是，两种材料分别为使用无磁材料制成的接头与4145H材料制成的管体；所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少；然后将加工好的端面焊接，焊接前对无磁材料进行激光衍射预热，预热温度为350-450℃，按确定好的焊接参数进行焊接，其中顶锻分三次顶锻，每次间隔1.2s，控制塑性变形量20-30mm，顶锻后当焊缝温度下降到800－820C时喷水，喷到无磁材料侧，检测4145H钢表面温度下降到680度后停止喷水，让无磁材料端利用4145H钢余热自行渗透回火，当摩擦焊口降到室温后，盖上液态氮气罩对无磁接头部分焊口进行-150℃深冷处理。
2.根据权利要求1所述的无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法，其特征在于：所述的无磁材料的焊接面积较4145H材料焊接面积少20%，具体尺寸参数为：其中4145H材料接头加工参数，外径168.3mm，内径71.4mm，长度大于等于2.5米长； 4145H材料距端150mm长，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将71.4mm内径45°倒角成直径98.7mm；
无磁材料管体参数，外径168.3mm，内径71.4mm，400mm长，无磁材料接头车内径98.7mm，深度10mm的止口，内径98.7mm止口与内径71.4mm是用45度斜坡过渡，将168.3mm外径的端面倒4×45°倒角，将98.7mm内径的端面倒2×45°倒角，端面车3度角。
3.根据权利要求1所述的无磁金属材料与异型金属材料的摩擦焊接方法，其特征在于：对焊接后的钻具采用振动时效技术进行全长应力均衡处理。
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