CN108817646A - 一种利用线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢和制备无磁钻铤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢和制备无磁钻铤的方法。所述方法为：将材质为奥氏体合金钢的工件夹装到摩擦焊机中后对振动端和移动端的夹具中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向振动端的工件移动，此时振动端工件开始振动，振动端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，当摩擦时间达到设定值时，振动停止，顶锻开始，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得无磁钻铤。本发明提出了以线性摩擦焊接工艺对无磁钻铤进行加工及修复，以改善现有加工方法的材料浪费、成本较高、生产效率较低的问题，并克服了失效钻铤难以修复的问题。

Description

一种利用线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢和制备无磁钻 铤的方法

技术领域

本发明属于线性摩擦焊接工艺的应用领域，具体涉及利用线性摩擦焊接工艺实现奥氏体合金钢异形面结构件焊接和非圆截面无磁钻铤的焊接和修复方法。

背景技术

油气田钻采技术在近几十年飞速发展，陆地和海洋钻井深度已经达到了数千米的水平。为保证足够的垂直钻采精度，随钻测量装置在深度钻采领域广泛应用。随钻测量装置是通过感应井眼的大地磁场来对其垂直精度进行修正，确保竖井钻探方向的准确性。钻具普遍具有磁性，为防止在高速钻探过程中产生的磁场对测量设备的干扰，保证随钻测量装置的准确性，随钻测量装置必须在无磁的环境下工作，因此需在钻柱的下方连接一定长度的弱磁性或不易磁化的合金钢制成的厚壁无磁钻铤以达到磁屏蔽的目的。无磁钻铤一方面具有防止钻探过程中除地磁场外的其他磁场对随钻测量装置的干扰，另一方面具有向钻头提供钻进压力及提高钻柱刚度的作用。因此，无磁钻铤需具有较低的磁导率、较高的强度及耐蚀性。

最初制造无磁钻铤所选用的材料为AISI-300系不锈钢，利用该材料加工费制备无磁钻铤的难度较低，且生产成本较低，在服役条件温和的情况下尚可满足要求，但随着我国钻采深度的增加及高含硫气井的开发，其力学性能、耐腐蚀性能等均已无法满足要求。随后，研究人员又开发了由铍铜合金、Monel合金及Gammaloy合金制造的无磁钻铤，采用铍铜合金、Monel合金及Gammaloy合金所制造的无磁钻铤基本可以满足性能要求，但其造价昂贵，生产、使用及维护成本急剧增加。因此，此类钻铤也逐渐被由奥氏体合金钢所制造的钻铤取代。目前，由奥氏体合金钢制造无磁钻铤的主要加工工艺为热轧及整体机加工，此种加工工艺虽然可使无磁钻铤具有较高的力学性能，且在加工的过程中不发生相变，磁导率可保持较低水平，但是此类加工工艺会浪费大量材料，材料的利用率及生产效率较低。同时，若无磁钻铤在服役的过程中发生磨损、断裂失效时，只能将其报废，无法修复。因此，焊接加工工艺成为无磁钻铤生产加工的较优选择。目前，研究人员主要采用熔焊的方法，如手工电弧焊、钨极氩弧焊、激光焊等对无磁钻铤用奥氏体合金钢进行焊接，但采用熔焊的方法对其进行焊接时，具有以下问题：易发生相变使得焊接接头处的磁导率发生变化；易产生氮气孔，氮元素流失；耐蚀性降低；易产生焊接热裂纹。

可以看出，手工电弧焊、钨极氩弧焊、激光焊等熔焊工艺不适宜用来加工奥氏体合金钢，而采用热轧及整体机加工的工艺方法来制造无磁钻铤又存在材料利用率低，生产效率低等问题。因此，有必要研究一种新的无磁钻铤的制备及修复方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种利用线性摩擦焊接工艺实现具有异形截面的奥氏体合金钢焊接及无磁钻铤的焊接和修复方法。本发明提出以线性摩擦焊接工艺对无磁钻铤进行加工及修复的方法，以改善现有加工方法的材料浪费、成本较高、生产效率较低的问题，并克服了失效钻铤难以修复的问题；同时，采用该工艺方法对奥氏体合金钢进行焊接；针对无磁钻铤等此类厚壁管件，本发明首次提出采用线性摩擦焊接的方式生产及修复无磁钻铤，并且制备的无磁钻铤的力学性能完全满足美国石油协会(API)的要求。同时，线性摩擦焊具有生产效率高、可靠性高、工艺适应性广等优点，非常适用于生产非轴对称件、方型及异型构件的焊接。

本发明的目的之一是提供线性摩擦焊接工艺在奥氏体合金钢中的应用。

本发明的目的之二是提供线性摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用。

本发明的目的之三是提供线性摩擦焊接工艺制备的无磁钻铤。

本发明的目的之四是提供一种修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法。

本发明的目的之五是提供线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法及其制备的无磁钻铤，修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法的应用。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了线性摩擦焊接工艺在奥氏体合金钢中的应用。

优选的，所述应用为：一种线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢的方法：将奥氏体合金钢夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过奥氏体合金钢之间的线性相对运动产生的摩擦热量使摩擦界面达到高温塑性状态和对奥氏体合金钢施加的顶锻压力进行焊接。

具体的，所述线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢的方法包括如下步骤：

(1)焊接界面处理：清理奥氏体合金钢工件待焊界面的氧化皮、油污；

(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，振动端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、振动端和移动端夹具保持同轴；

(3)焊接：设置振动端工件的振动频率、振幅、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、保压时间后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向振动端的工件移动，振动端工件开始振动，进行往复直线运动，振动端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，摩擦时间达到设定值，振动端工件停止振动，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即可实现对奥氏体合金钢的焊接。

其次，本发明公开了线性摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用；优选的，所述应用为：一种线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法：将待焊无磁钻铤工件夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的线性相对运动产生的摩擦热量使摩擦界面达到高温塑性状态和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即得无磁钻铤。

具体的，本发明公开一种线性摩擦焊接工艺制备奥氏体合金钢无磁钻铤的方法，包括如下步骤：

(1)焊接界面处理：将奥氏体合金钢制备成满足无磁钻铤形状和规格的待焊工件，清理工件待焊界面的氧化皮、油污；

(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，振动端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、振动端和移动端夹具保持同轴；

(3)焊接：设置振动端工件的振动频率、振幅、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、保压时间后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，振动端工件开始振动，进行往复直线运动，移动端的工件向振动端的工件移动，振动端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，摩擦时间达到设定值，振动端工件停止振动，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得奥氏体合金钢无磁钻铤。

步骤(1)中，所述焊接界面处理的方法为：用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污等。

步骤(3)中，所述振动频率为5-200Hz，振幅为0.5mm-5.0mm。

步骤(3)中，所述摩擦时间为3-15s。

步骤(3)中，所述摩擦压力为30-300MPa。

步骤(3)中，所述顶锻压力为50-600MPa。

步骤(3)中，所述保压时间为1-30s。

通过待焊工件之间的相对运动摩擦产热，使摩擦界面及其附近金属达到热塑性状态，界面附近的热塑性态金属在摩擦压力及较大顶锻压力的作用下，焊接界面处发生强烈的动态再结晶，晶粒明显细化，形成动态再结晶区，根据Hall-Patch公式可知，晶粒尺寸越小，焊核区的屈服强度越高，并且由于在发生动态再结晶的过程中，晶粒承受较大的变形压力，使焊核区有着较高的位错密度且位错发生缠结，因此，本发明选择在较大的顶锻压力下对无磁钻铤用高氮奥氏体合金钢进行焊接。

再次，本发明公开了利用线性摩擦焊接工艺制备的无磁钻铤，所述无磁钻铤的材质为高氮奥氏体合金钢。

优选的，所述无磁钻铤的材质为：质量百分数，18.61％Mn、17.47％Cr、1.161％Cu、0.8531％Mo、0.625％N、0.5065％Ni、0.1339％C、0.07％V、0.3847％Si、0.012％Al，Fe余量，所述无磁钻铤的规格为外径φ104.8-φ228.6，壁厚20-80mm；优选的，所述无磁钻铤焊接接头处的抗拉强度在850MPa以上，屈服强度在770MPa以上，断后伸长率在25％以上。

再其次，本发明还公开了修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法，包括如下步骤：

(1)将断裂损坏的无磁钻铤的端口加工成平面状，得待焊无磁钻铤工件；

(2)将步骤(1)中工件夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的线性相对往复运动产生的摩擦和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即可修复断裂、磨损失效的无磁钻铤。

所述断裂、磨损失效的无磁钻铤的修复原理为：只需要将断裂损坏的无磁钻铤的端口加工成平面状后，就可以将其作为新的待焊接的工件，后续的修复方法和通过线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法一致。

最后，本发明还公开了线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法及其制备的无磁钻铤、修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法在石油、天然气深度钻采中的应用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明根据无磁钻铤必须具有低磁导率的要求，以及线性摩擦焊接工艺在焊接过程中热输入较低，不会导致焊接接头处发生相变，从能够有效避免相变对磁导率影响的特点，采用线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤，从而无磁钻铤焊接接头处的磁导率能够保持在低水平，有效保证了钻铤需要在低磁环境下工作的要求。

(3)本发明利用线性摩擦焊接工艺制备的无磁钻铤的焊接接头处为细小等轴状的奥氏体晶粒，焊接接头处的焊接质量稳定、力学性能优良，能完全满足美国石油协会(API)对无磁钻铤的力学性能要求。

(2)本发明采用的线性摩擦焊接工艺能够简单、有效实现断裂、磨损失效的无磁钻铤的修复，从而实现了将本应报废的无磁钻铤修复后再次利用，大幅降低了无磁钻铤的使用成本。

(4)利用本发明的采用的线性摩擦焊接工艺在焊接过程中不需要在焊接接头处添加填充金属，可大幅度提高生产效率；同时，由于不需要对工件进行整体切削加工，可以大幅度节约材料，降低无磁钻铤的制造成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明背景技术所述的钻具结构示意图。

图2为本发明线性摩擦焊接结构示意图。

图3为实施例1制备的无磁钻铤焊接接头处的X射线衍射图谱。

图中的附图标记分别代表，1-振动端夹具，2-振动端工件，3-移动端工件，4-移动端夹具，5-振动方向，A-振幅方向，P-摩擦压力或顶锻压力。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的焊接高氮奥氏体合金钢的手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、激光焊等方法仍然不宜直接用来制备无磁钻铤，但热轧及整体机加工切削制备无磁钻铤的方法也存在利用率低、生产效率较低、制备成本高、失效钻铤难以修复等问题，因此，本发明提出了利用线性摩擦焊接工艺实现奥氏体合金钢焊接和无磁钻铤的焊接和修复方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图2、3所示，一种线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，包括如下步骤：

(1)焊接界面处理：将奥氏体合金钢(成分如表1所示)制成规格为外径φ104.8mm，壁厚20mm，长300mm的工件，用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污等；

(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到HWI-LFW-30型线性摩擦焊机中，在移动端夹具4和焊机的振动端夹具1中各夹装一工件(振动端工件2、移动端工件3)，且保证工件2和3与振动端夹具、移动端夹具保持同轴；通过HWI-LFW-30焊机的控制系统设置振动端工件的振动频率为25Hz，振幅为2.59mm，摩擦压力为200MPa，摩擦时间设为5s，顶锻压力为450MPa，顶锻时间10s；

(4)焊接：启动焊机，对步骤(2)中振动端工件2、移动端工件3进行焊接，焊接开始时，焊接开始时，移动端的工件3向振动端的工件2移动，振动端工件2开始振动，沿着A的方向做往复式线性运动，振动端工件2与移动端工件3接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，摩擦时间达到设定值，振动端工件2停止振动，沿着工件2和3的轴向对工件施加顶锻压力并保压10s，从而将工件2和3焊接在一起，卸载顶锻压力后取出工件，即得奥氏体合金钢无磁钻铤。

实施例2

制备方法同实施例1，区别在于：所述工件的规格为外径φ228.6mm，壁厚80mm，长300mm，振动端工件的振动频率为200Hz，振幅为5mm，摩擦压力为300MPa，顶锻压力为600MPa，摩擦时间15s，保压时间为30s。

实施例3

制备方法同实施例1，区别在于：振动端工件的振动频率为5Hz，振幅为4mm，摩擦压力为300MPa，顶锻压力为500MPa，摩擦时间5s，保压时间为5s。

实施例4

制备方法同实施例1，区别在于：振动端工件的振动频率为100Hz，振幅为0.5mm，摩擦压力为30MPa，顶锻压力为450MPa，摩擦时间3s，保压时间为1s。

实施例5

制备方法同实施例1，区别在于：振动端工件的振动频率为30Hz，振幅为2.8mm，摩擦压力为30MPa，顶锻压力为50MPa，摩擦时间8s，保压时间为10s。

性能测试：

对实施例1制备的无磁钻铤接头处进行XRD测试，结果如图3所示。从图3中可以看出，采用线性摩擦焊接制备无磁钻铤的焊接接头处均为奥氏体组织，因此接头处的磁导率不会发生明显变化。

对实施例1制备的无磁钻铤使用WAW-300C万能拉伸试验机进行拉伸实验，所述无磁钻铤焊接接头处的抗拉强度在863MPa，屈服强度在764MPa，断后伸长率为21％，完全满足美国石油协会(API)对于无磁钻铤的力学性能要求(如表2所示)。

表1实施例1-4无磁钻铤所用的奥氏体合金钢成分(Wt.％)

表2 API对无磁钻铤的力学性能要求

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.线性摩擦焊接工艺在奥氏体合金钢中的应用。

2.一种线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢的方法，其特征在于：将奥氏体合金钢夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过奥氏体合金钢之间的线性相对运动产生的摩擦和对奥氏体合金钢施加的顶锻压力进行焊接。

3.如权利要求2所述的线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)焊接界面处理：清理奥氏体合金钢工件待焊界面的氧化皮、油污；

(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，振动端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、振动端和移动端夹具保持同轴；

(3)焊接：设置振动端工件的振动频率、振幅、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、保压时间后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向振动端的工件移动，振动端工件开始振动，进行往复直线运动，振动端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，摩擦时间达到设定值，振动端工件停止振动，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即可实现对奥氏体合金钢的焊接。

4.线性摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用。

5.一种线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，其特征在于：将待焊无磁钻铤工件夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的线性相对运动产生的摩擦和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即得无磁钻铤。

6.如权利要求5所述的线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)焊接界面处理：将奥氏体合金钢制备成满足无磁钻铤形状和规格的待焊工件，清理工件待焊界面的氧化皮、油污；

(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，振动端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、振动端和移动端夹具保持同轴；

(3)焊接：设置振动端工件的振动频率、振幅、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、保压时间后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向振动端的工件移动，振动端工件开始振动，进行往复直线运动，振动端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，摩擦时间达到设定值，振动端工件停止振动，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得奥氏体合金钢无磁钻铤。

7.如权利要求6所述的线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述焊接界面处理的方法为：用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污；

或，步骤(3)中，所述振动频率为5-200Hz，振幅为0.5mm-5.0mm；

或，步骤(3)中，所述摩擦时间为3-15s；

或，步骤(3)中，所述摩擦压力为30-300MPa；

或，步骤(3)中，所述顶锻压力为50-600MPa；

或，步骤(3)中，所述保压时间为1-30s。

8.如权利要求5-7任一项所述的方法制备的无磁钻铤，其特征在于：所述无磁钻铤的材质为奥氏体合金钢；优选的，所述无磁钻铤的材质为：质量百分数，18.61％Mn、17.47％Cr、1.161％Cu、0.8531％Mo、0.625％N、0.5065％Ni、0.1339％C、0.07％V、0.3847％Si、0.012％Al，Fe余量；优选的，所述无磁钻铤的规格为外径φ104.8-φ228.6，壁厚20-80mm。

9.一种断裂、磨损失效的无磁钻铤的修复方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)将断裂损坏的无磁钻铤的端口加工成平面状，得待焊无磁钻铤工件；

(2)将步骤(1)中工件夹装到线性摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的线性相对转动产生的摩擦和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即可修复断裂、磨损失效的无磁钻铤。

10.如权利要求2或3所述的线性摩擦焊接工艺焊接奥氏体合金钢的方法和/或如权利要求5-7任一项所述的线性摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法和/或如权利要求8所述的无磁钻铤和/或如权利要求9所述的修复方法在石油、天然气深度钻采中的应用。