CN114952071A - 一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料技术领域。药芯焊丝由药皮和药芯组成，且药皮为钛带，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2‑5.0％，Mn 0.3‑6.0％，Si 0.5‑1.0％，Ni 0.1‑10.0％，Al 0.5‑10.0％，Co 0.1‑5.0％，W 0.1‑8.0％，V 0.1‑8.0％，Fe余量。采用以上药芯焊丝通过堆焊的焊接方式可在钛基钻杆外层形成稳定的钛基体系耐磨层，该耐磨层不仅硬度可达50‑60HRC，而且耐磨性能是普通钛合金钻杆的2‑3倍，同时能够完美兼容钛合金钻杆堆焊后耐磨层不会出现开裂、掉块等现象，延长钛合金钻杆的使用寿命。

Description

一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体而言，涉及一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
石油天然气勘探开发不断向深井、超深井、恶劣腐蚀环境和深海发展，特别是南海可燃冰开发成为全球热点后，石油天然气行业对管材新材料、新技术的需求日渐迫切，既需要满足经济性要求的低端石油管材，又需要满足“三高”(高温、高压、高腐蚀)苛刻条件的高端高耐蚀合金特殊石油管材。
为了解决钢钻杆在短半径水平井钻井时出现早期疲劳、磨损和物理损伤而降低使用寿命及可靠性问题,国内外相继研制出钛合金钻杆。目前钛合金钻杆以小直径钻杆为主，主要应用于超短半径钻井。在超短半径钻井、超深井和深水钻井应用中,钛合金钻杆具有明显的优势。与常规钢钻杆相比较，钛合金钻杆有以下性能优点：钛合金密度为4.1×103kg/m3，钢密度为7.8×103kg/m3，钛比钢轻43％；钛合金的弹性模量为119GPa，钢的弹性模量为210GPa，钛合金的弹性模量是钢的57％；钛合金具有更好的耐腐蚀及抗侵蚀的能力；钛合金具有高抗疲劳特性，在空气和钻井液环境中其疲劳性能几乎相同；钛合金钻杆屈服强度为840MPa，约等于S-135钢钻杆强度重量比值的1.54倍。
基于钛合金钻杆具有上述描述的重量较小、强重比极高的优势，技术尚在发展中，具有很大潜力，在未来的特深井钻井中有望得到应用。然而，钛合金钻杆用于特深井钻井，存在一些需要注意的问题：价格昂贵，钛合金钻杆的价格是S-135钻杆的7-10倍；耐磨性差，钛合金钻柱在井筒中屡经运动摩擦，磨损钻杆，降低钻杆局部壁厚，可能导致钻杆的磨损失效；耐磨层兼容性较差，由于钛合金钻杆采用全钛合金钻杆材质即TC4(Ti-6Al-4V)，属于α+β型钛合金，该类合金与目前常用的铁基耐磨层材料互不兼容，堆焊后耐磨层出现开裂、掉块等现象。
为了减少钛合金钻杆的实际生产成本、提高钛合金钻杆的耐磨性、并使耐磨层具备良好的兼容性，研发一种适用于钛合金钻杆的钛基耐磨层堆焊材料是亟待解决的。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，由药皮和药芯组成，且药皮为钛带，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。
第二方面，本发明还提供一种上述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：将药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；采用药皮原料封装药芯粉料，得到药芯焊丝半成品；将药芯焊丝半成品进行拉拔，得到钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝。
第三方面，本发明还提供一种上述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝在钛合金钻杆耐磨层堆焊上的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用，该药芯焊丝由药皮和药芯组成，药皮为钛带，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V0.1-8.0％，Fe余量。以上的提供的药芯焊丝，在药芯中加入多种合金药粉获得Mn-Al-Ni-V合金体系以强化堆焊金属的组织结构，不仅可以帮助熔敷金属联合脱氧，而且可以细化晶粒，增强基体的耐腐蚀性、抗裂性和冲击韧性等，通过堆焊的焊接方式在钻杆外层形成稳定的钛基体系耐磨层，该耐磨层不仅硬度高，同时能够完美兼容钛合金钻杆堆焊后耐磨层不会出现开裂、掉块等现象，将本发明中的药芯焊丝用于钛合金钻杆耐磨层的堆焊，可使钛合金钻杆外壁获得焊缝强化层即耐磨层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1-图3分别为采用实施例1-3中的焊丝的试焊焊缝照片；
图4-图6分别为采用对比例1-3中的焊丝的试焊焊缝照片；
图7-图9分别为采用实施例1-3提供的焊丝堆焊后试样，进行应力腐蚀开裂试验后的宏观形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
随着钛合金钻杆在我国的石油钻井行业的推广使用，其良好的耐腐蚀性、屈服强度、以及高抗疲劳特性等越来越受市场所认可，但由于缺少配套的耐磨层措施，使实际生产及修补成本过高，无法实现规模性生产，为了解决上述的问题，本发明实施例提供了一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用。采用本发明实施例提供的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝在钛基合金的表面进行堆焊后，可以提高钛合金钻杆的耐磨性，延长石油钻杆的使用寿命，大幅降低石油钻杆生产企业生产成本及修复成本，满足市场对国内超短半径水平井开发的迫切需求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，由药皮和药芯组成，且药皮为钛带，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。
本发明实施例提供的焊丝形式为药芯焊丝，由药皮和药芯两部分组成，药皮采用钛带为基材，药芯采用金属粉芯型设计，以合金药粉为主，无需造渣成分；并且，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量；以上各合金元素设计原理为：药芯中加入多种合金药粉获得Mn-Al-Ni-V合金体系以强化堆焊金属的组织结构，不仅可以帮助熔敷金属联合脱氧，而且可以细化晶粒，增强基体的耐腐蚀性、抗裂性和冲击韧性等；其中：
Mn元素的加入，Mn是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性；
Al元素的加入，Al是强脱氧剂，其可提高低温冲击韧性；
Si元素的加入,Si是主要脱氧剂，可降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性；
Ni元素的加入,Ni可以提高抗腐蚀性、塑性；
Co，W，V按照合金要求加入,细化晶粒进一步改善焊缝力学性能；
Fe元素的加入，铁粉可以改善电弧状态，调节钛液熔点和黏度，余量加入。
焊丝钛带中Ti含量＞99％，钛带的加入使焊丝中Ti的含量达到45-85％，堆焊时能够与钛合金钻杆基体充分熔合，使堆焊后耐磨带不易脱落。熔敷金属中Ti和C的结合力超过Nb、Mo、W等金属，形成的化合物TiC高硬度相，有利于堆焊金属耐磨性的提升，同时Ti在堆焊金属中具有细化晶体组织的作用，使TiC弥散分布在金属内部增加焊缝稳定性不易产生裂纹；
可见，本发明实施例提供了一种以钛带为基体，并添加一系列合金药粉，获得的金属粉芯型药芯焊丝，焊丝基体结构设计合理，可实际应用于钛合金钻杆生产中。焊丝药皮取消了市面上常用的铁基钢带，优选高纯度钛带为焊丝基体，Ti含量＞98％，Ti主要以TiC形式弥散分布在本发明堆焊合金体系中，且TiC晶粒细小可极大提高堆焊层的硬度及耐磨性，焊丝堆焊后耐磨性是普通钛合金钻杆的2-3倍，且TiC能够与钛合金钻杆基体TC4(Ti-6Al-4V)相互兼容，堆焊后耐磨层抗裂性好，堆焊过程中无裂纹，可实施多次堆焊，且不会出现掉块等现象。焊丝药芯采用金属粉芯渣系，金属粉芯型药芯焊丝具有实心焊丝的低渣性，良好的抗裂性，堆焊时具有钛型渣系药芯焊丝良好的焊接操作性能，并且其熔敷效率相比钛型药芯焊丝要高；另外，金属粉芯型渣系还因其低渣性而使熔敷金属扩散氢含量降低。采用纯氩气体保护以及Mn，Al，Si合金联合脱氧的方式，尽量减少耐磨层中的氧含量，另外加入Ni以增强耐磨层耐腐蚀性，Co、W、V使组织细化，确保了力学性能达标。通过以上技术途径研制的焊丝工艺性能优良、力学性能稳定、是钛合金钻杆堆焊耐磨层的新突破。
在可选的实施方式中，药芯焊丝中的药芯原料来自合金、石墨或金属粉末；
优选地，C来自石墨或其它含C物质，石墨中C含量大于99.5％；
优选地，Mn来自硅锰FeMn65Si17，Mn的含量大于65％；
优选地，Si来自硅铁FeSi90，Si含量为87％-95％；
优选地，Ni来自镍粉，Ni含量大于99.3％；
优选地，Al来自铝粉，Al含量99.5％-99.95％；
优选地，Co来自钴粉，Co含量99.95％-99.99％；
优选地，W来自钨铁W701，W的含量70％-80％；
优选地，V来自钒铁FeV40，V的含量40-45％；
优选地，Fe来自铁粉，Fe的含量大于99.5％。
在可选的实施方式中，药皮所用带材为高纯度钛带，其中高纯度钛带中Ti≥99％，C含量为0.01-0.02％。
在可选的实施方式中，该药芯焊丝中药芯的填充率的质量比为15％-25％；
优选地，药芯焊丝的直径为1.2-1.6mm。
在可选的实施方式中，采用钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝堆焊后的耐磨带层表面无裂纹，洛氏硬度为50-60HRC，且耐磨带层的耐磨性能是普通钛合金钻杆的2-3倍。
第二方面，本发明实施例还提供一种上述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：将药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；采用药皮原料封装药芯粉料，得到药芯焊丝半成品；将药芯焊丝半成品进行拉拔，得到钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝。
在可选的实施方式中，药皮原料和药芯原料在混合前进行预处理；
优选地，将高纯度钛带沿纵向剪切成壁厚为0.4±0.1mm，宽度为10±0.5mm的药皮材料；
优选地，将药芯原料中的金属粉在120℃下干燥2小时，烘干后过80-100目筛。
第三方面，本发明实施例还提供一种上述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝在钛合金钻杆耐磨层堆焊上的应用。
在可选的实施方式中，将堆焊后的钛基合金钻杆应用于超短半径钻井、深井、超深井、恶劣腐蚀和深海环境下的石油天然气勘探作业中。
在可选的实施方式中，将钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝用于钛合金钻杆的堆焊条件为：焊接方法为MIG焊，保护气体为纯氩气，焊接电流为150-300A，焊接电压为15-25V，堆焊后耐磨带厚度为3-5mm。
以上，本发明实施例提供了一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用，该药芯焊丝由药皮和药芯组成，药皮为钛带，Ti含量＞98％，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。本发明研制的药芯焊接材料不仅硬度高、耐磨性好，堆焊后耐磨层硬度可达50-60HRC，耐磨性能是普通钛合金钻杆的2-3倍，而且耐腐蚀、冲击韧性高，可适用于苛刻腐蚀环境中仍保持良好的力学性能，同时还能完美兼容钛合金钻杆，堆焊后耐磨层不会出现开裂、掉块等现象。以上的焊丝主要用于钛合金钻杆耐磨层的堆焊，使钛合金钻杆外壁获得焊缝强化层即耐磨层，可应用于深井、超深井、恶劣腐蚀和深海环境下的石油天然气勘探作业中，弥补了针对钛合金钻杆用堆焊耐磨材料研发和应用的技术空白，为钛合金钻杆在石油钻井中的实际应用打开市场。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
一、本发明实施例提供一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，由药皮和药芯组成，且药皮为钛带，药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。
二、本发明实施例还提供一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝的制备方法。
药芯焊丝的制备过程可概括为：原材料检测→药粉配制→混粉→烘干→筛粉→钢带纵剪和重绕→加粉→成型→拉丝→清理→保存。具体操作步骤如下：
步骤1、原材料检验
1、钛带检测：钛带表面应光亮、光滑、无裂纹、孔洞、氧化皮和腐蚀孔等；
2、药粉检测：药粉的颗粒度为80-100目；
步骤2、药粉配制
将本发明药芯焊丝粉体成分中的C、Mn、Si、Ni、Al、Co、W、V、Fe等元素分别以石墨、硅锰、硅铁、镍粉、铝粉、钴粉、钨铁、钒铁、铁粉的形式加入，粒度在80-100目之间。
步骤3、混粉、烘干、筛粉
由于本发明为金属粉芯型焊丝，将步骤4所有药粉按比例称量后倒入混粉炉中进行混料，将混粉炉升温至150℃烘干5小时，取出后用80-100目筛网进行过滤，剔除尺寸较大颗粒待焊丝制备是使用。
步骤4、钢带纵剪和重绕
将检验合格的钛带按照工艺要求剪成10mm宽，并用收带机将纵剪好的钛带重绕到工字轮上备用。
步骤5、加粉、成型
本发明焊丝采用钛带成形法制作，成形机组由上下7对轴辊依次组成，钛带牵引到成形机组内进行辊压，在成形机第3对轴辊和第4对轴辊之间，钛带逐渐由U型开始向O型收口时，由送粉器将预先制备好的药芯粉体加入到钛带槽中，随后钛带在下一组轴辊的辊压下进行封口。最后形成初级焊丝直径为2.9-3.1mm，焊丝的填充率为15-25％。
步骤6、拉丝
钛带成形立刻转入拉丝机中，进入拉丝减径阶段，焊丝经多次拉丝后达到1.2-1.6mm目标尺寸，随即用收丝机进行收集。
步骤7、清理、保存
焊丝加工完毕后先清理除去拉丝过程中残留在焊丝表面的拉丝粉，再放入干燥环境中保存，待焊接时使用。
三、本发明实施例还提供一种采用上述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝在钛基钻杆表面进行堆焊的焊接方法。具体的：
焊丝的焊接方法为MIG焊；焊丝的保护气体为纯氩气，Ar含量大于99.99％；焊丝的电流焊接参数为：150-300A；焊丝的电压焊接参数为：15-25V；焊丝适用于钛合金钻杆耐磨层堆焊；焊丝的焊接设备推荐采用ZS2000型石油钻具耐磨带自动堆焊机。
四、焊丝实施例制备
焊丝按上述配粉比例及制备方法进行试制如表1所示，共3组，每组焊丝各配制2公斤药粉，除焊丝配粉比例外其余步骤均保持一致。具体配制比例及参数及焊丝编号如表2所示。
表1焊丝实施例药芯质量配比
Figure BDA0003668392920000101
表2焊丝实施例粉芯配制数量
Figure BDA0003668392920000102
Figure BDA0003668392920000111
对比例1
与实施例1的制备步骤和药芯成分均相同，不同之处在于:将药皮的材料变为铁基钢带。
对比例2
与实施例2的制备步骤和药皮材料相同，不同之处在于:药芯材料在实施例2的基础上还增加了造渣成分，包括：金红石10％、萤石5％、铁砂5％、钾长石2％、镁砂2％、氟化钠2％。
对比例3
与实施例3的制备步骤、药皮和药芯成分均相同，不同之处在于:采用的保护气体为80％Ar+20％CO2混合气体。
五、焊丝堆焊测试
使用ZS2000型石油钻具耐磨带自动堆焊机对本发明药芯焊丝实施例进行钻杆耐磨层堆焊测试，堆焊试验基材选用TC4钛合金钻杆，堆焊位置为钻杆母接头。
为了增加试验对比性，堆焊测试还选取了两组铁基耐磨层药芯焊丝进行对比试验，对比用焊丝编号为对比例1、2，对比例3焊接材料与实施例3相同，但保护气体换成80％Ar+20％CO2混合气体，具体焊接参数如表3所示。
表3药芯焊丝堆焊测试焊接参数
Figure BDA0003668392920000121
表4焊丝堆焊后耐磨层外观对比结果
试验焊丝 裂纹 掉块 飞溅 气孔
实施例1 无 无 少 无
实施例2 无 无 少 无
实施例3 无 无 少 无
对比例1 环形裂纹 有 多 无
对比例2 环形裂纹 无 多 无
对比例3 微裂纹 无 多 无
表4为堆焊试验结果，由堆焊试验结果可知：采用实施例1-3的焊丝堆焊时飞溅较小，说明焊丝焊接工艺良好；实施例1-3焊丝焊后耐磨层无裂纹产生，说明低渣性的金属粉芯体系使熔敷金属扩散氢含量降低，堆焊后耐磨层抗裂性大大提高；实施例1-3堆焊后耐磨层均表现出均匀的，连续的、成型性良好的焊缝外观且无掉块现象(采用实施例1中的焊丝试焊焊缝照片见图1，采用实施例2中的焊丝试焊焊缝照片见图2，采用实施例3中的焊丝试焊焊缝照片见图3)，说明本发明焊丝能够完美兼容于钛合金钻杆。
采用对比例1的焊丝堆焊时飞溅较多，说明对比例1的焊丝焊接工艺较差；堆焊后耐磨层表面出现环形裂纹，且冷却后耐磨层出现掉块现象(见图4)，说明对比例1无法兼容于钛合金钻杆。
采用对比例2的焊丝进行堆焊时飞溅量明显减小，但焊后出现明显环形裂纹，说明药芯中添加较高的造渣成分能改善焊丝的焊接性能，但却明显增加了焊后耐磨层的开裂性(见图5)，进一步导致耐磨层开裂失效无法正常投入生产。
采用对比例3的焊丝进行堆焊后耐磨层表面出现微裂纹(见图6)，说明采用混合气体焊接时，耐磨层中的氧含量明显提升，造成焊后耐磨层表面开裂。
六、焊丝耐磨性测试
本次磨损试验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机对钻杆堆焊耐磨层进行耐磨性测试，测试样品采用TC4钛合金钻杆作基材。基材在堆焊前去油污及除锈处理。为了增加对比性，试样除1-3号三组耐磨层实施例外还增加一组对比例4钛合金钻杆作基材作为对照组，测试结果示如表5所示。
表5焊丝堆焊后耐磨性对比测试结果
Figure BDA0003668392920000131
Figure BDA0003668392920000141
由试验结果可知同等压力、磨损时间的条件下采用实施例1-3的焊丝堆焊后耐磨层的磨耗(0.05mm、0.08mm、0.06mm)优于对比例4钛合金钻杆(0.15mm),说明本发明焊丝耐磨性能优于钛合金原始钻杆，耐磨性能可达普通钛合金钻杆的2-3倍，能够大幅降低钛合金钻杆接头磨损。
七、焊丝力学性能测试
将本发明实施例1-3提供的焊丝堆焊熔覆金属，以洛氏硬度、抗冲击性为力学性能测试指标，检测每个试验焊丝实施例试板，分别检测每个试验堆焊试板，对试验数值取平均值，为了增加对比性，试样除1-3号三组耐磨层实施例外，同样增加一组对比例4钛合金钻杆作基材作为对照组，得到测试数据如表6所示。
表6焊丝堆焊后耐磨层力学性能测试结果
试验焊丝 平均硬度HRC 锤击次
对比例4 29.1 1100
实施例1 53.4 1900
实施例2 57.8 1500
实施例3 56.1 1900
由试验结果可知同等试验条件下,采用实施例1-3的焊丝堆焊后耐磨层的平均硬度均满足SY/T6948-2013行业标准要求及HRC≥50，且抗冲击性均明显优于对比例4钛合金钻杆。
八、焊丝抗应力腐蚀(SCC)性能测试
本试验模拟在石油钻杆在油基泥浆环境下发明实施例1-3堆焊后耐磨层的抗SCC性能，图7-图9为油基泥浆环境中经过720h试验后实施例1-3试样表面宏观形貌。由图可见，实施例1-3的试样均未发生断裂，也没有肉眼可见的裂纹，说明采用本发明实施例1-3提供的焊丝以堆焊方式焊接后的具有耐磨层的钻杆在油基泥浆腐蚀环境中具有优异的抗SCC性能。
可见，本发明实施例提供的药芯焊丝与同类型焊丝相比具有以下优势特点和优势：
1、技术突破：取代了目前主要使用的铁基耐磨材料，创造性的采用钛基材料作为钻杆耐磨层的新思路。填补了目前我国石油钻井用钛合金钻杆外层堆焊耐磨层用焊丝材料的技术空白。
2、焊丝结构及配方创新性：包括钛带、药粉。钛带中Ti含量＞98％，药粉中合金成分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。全新的焊丝设计结构为钛合金钻杆堆焊应用带来实际应用。
3、焊丝兼容性：该焊丝完美兼容于钛合金钻杆(接头、管体均为钛合金材质)，堆焊后耐磨层无裂纹，不易脱落。
4、耐磨性高：焊丝堆焊后熔敷金属中Ti含量可达到45-85％，其耐磨机理主要是通过堆焊熔敷金属中产生TiC等碳化钛组织来提高耐磨性，弥散分布在焊缝基体中，且由于其TiC晶粒细小弥散分布于熔敷金属中，能极大增加堆焊后耐磨带的性能稳定，使其耐磨性可达到普通钛合金钻杆的2-3倍。
5、抗冲击性好：本发明提出Mn-Al-Ni-V合金体系以强化堆焊金属的组织结构，使该焊丝熔敷金属组织具有优良的抗冲击性能。
6、耐腐性好：焊丝堆焊后在耐磨层表面形成致密而稳定的氧化钛膜，使其耐蚀性优于铁基合金。
7、高抗裂性，本发明焊丝为金属粉芯型药芯焊丝，由于金属粉芯的低渣性使熔敷金属扩散氢含量降低，堆焊后耐磨层抗裂性大大提高。
8、含氧量低:采用纯氩气保护焊接，以尽量减少耐磨层中的氧含量。
9、可操作性：药芯采用金属粉芯型设计，以合金药粉为主，无需造渣成分，可重复堆焊，且堆焊后焊缝美观、无需清理渣壳。
10、经济效益高：钛合金具有优异的耐磨及耐腐蚀性，可减少钛合金钻杆失效余量设计，免除钛合金钻杆涂层保护，延长服役年限，经济性大幅度提高。
综上，为了减少钛合金钻杆的实际生产成本、提高钛合金钻杆的耐磨性、并使耐磨层具备良好的兼容性，本发明实施例特别研发提供一种适用于钛合金钻杆的钛基耐磨层堆焊材料，该材料以钛带为基体，并添加一系列合金药粉，通过堆焊的焊接方式在钛基钻杆外层形成稳定的钛基体系耐磨层，该耐磨层不仅硬度高，可达50-60HRC，而且耐磨性能是普通钛合金钻杆的2-3倍，同时能够完美兼容钛合金钻杆堆焊后耐磨层不会出现开裂、掉块等现象。
目前该焊丝已成功应用到实际油田生产中，不仅为钛合金钻杆耐磨技术从实验室走向现场、实现规模化应用提供了重要经验，更为浅层油气资源的进一步开发、保障国家能源战略安全提供了新的技术保障。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，其特征在于，由药皮和药芯组成，且所述药皮为钛带，所述药芯按质量百分比由以下组分组成：C 0.2-5.0％，Mn 0.3-6.0％，Si 0.5-1.0％，Ni 0.1-10.0％，Al 0.5-10.0％，Co 0.1-5.0％，W 0.1-8.0％，V 0.1-8.0％，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中的药芯原料来自合金、石墨或金属粉末；
优选地，所述C来自石墨或其它含C物质，石墨中C含量大于99.5％；
优选地，所述Mn来自硅锰FeMn65Si17，Mn的含量大于65％；
优选地，所述Si来自硅铁FeSi90，Si含量为87％-95％；
优选地，所述Ni来自镍粉，Ni含量大于99.3％；
优选地，所述Al来自铝粉，Al含量99.5％-99.95％；
优选地，所述Co来自钴粉，Co含量99.95％-99.99％；
优选地，所述W来自钨铁W701，W的含量70％-80％；
优选地，所述V来自钒铁FeV40，V的含量40-45％；
优选地，所述Fe来自铁粉，Fe的含量大于99.5％。
3.根据权利要求1所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药皮所用带材为高纯度钛带，且所述高纯度钛带中Ti≥99％，C含量为0.01-0.02％。
4.根据权利要求1所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中药芯的填充率的质量比为15％-25％；
优选地，所述药芯焊丝的直径为1.2-1.6mm。
5.根据权利要求1所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝，其特征在于，采用所述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝堆焊后的耐磨层表面无裂纹，洛氏硬度为50-60HRC，且耐磨层的耐磨性能是普通钛合金钻杆的2-3倍。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；采用药皮原料封装所述药芯粉料，得到药芯焊丝半成品；将所述药芯焊丝半成品进行拉拔，得到所述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述药皮原料和所述药芯原料在混合前进行预处理；
优选地，将高纯度钛带沿纵向剪切成壁厚为0.4±0.1mm，宽度为10±0.5mm的药皮材料；
优选地，将所述药芯原料中的金属粉在120℃下干燥2小时，烘干后过80-100目筛。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝或权利要求6-7中任一项所述的制备方法制备得到的钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝在钛合金钻杆耐磨层堆焊上的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将堆焊后的钛基合金钻杆应用于超短半径钻井、深井、超深井、恶劣腐蚀和深海环境下的石油天然气勘探作业中。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将所述钛基钻杆用堆焊耐磨药芯焊丝用于钛合金钻杆堆焊的条件为：采用MIG焊，保护气体为纯氩气，焊接电流为150-300A，焊接电压为15-25V，堆焊后耐磨带厚度为3-5mm。
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