CN117506229A - 一种无磁耐磨药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊材技术领域，具体涉及一种无磁耐磨药芯焊丝，主要用于无磁钻铤、无磁钻杆的耐磨带位置的焊接，利用该焊丝焊接的耐磨带可增长其使用寿命，降低钻具的使用成本，利用该药芯焊丝良好的焊接工艺性，具有较高的硬度值HRC≥50，磁导率≤1.01μt。
Description
技术领域
本发明属于焊材技术领域，具体涉及一种无磁耐磨药芯焊丝。
背景技术
随着我国钻井技术的发展，尤其是定向井技术所以无磁钻铤的使用日渐广泛。同时，无磁钻铤的磨损问题也越来越突出，严重影响了无磁钻铤的使用寿命，钻井的成本也大幅增加了。为了减少钻杆磨损，需要在石油钻具上堆焊金属耐磨带。然而，目前市场上使用的各种金属耐磨带材料，均为铁磁性材料，如直接使用在无磁钻铤上，势必影响井眼轨迹测量信息数据。
常用无磁钻具磁导率很低，并且是由不锈合金钢打造而成的，这种钻具就是无磁钻具。无磁钻具是由无磁钻杆、无磁稳定器、无磁钻铤三部分组成。无磁钻具不但具有普通钻具的性能，而且可以根据自身导磁率低的性质，很容易的将钻井钻井测斜仪器放在井下，以便在井下创造无磁环境，使钻井测斜仪器可以提供出真实的磁场数据，并且为在井下工作提供安全可靠的数据来源。但由于无磁钻具在使用过程中，其井别、井深、地层岩性各不相同，每口井对无磁钻具的外径磨损程度也不相同，一般来说，井斜大、深井、地层坚硬的井对无磁钻具的磨损最为严重，因此每年都要报废相当数量的无磁钻具。无磁钻具本体抗磨性差，硬度较低，使用寿命短，特别是在坚硬地层，更容易出现大量早期报废的现象，造成了巨大的经济损失，并且随着定向井、水平井越来越多的开发，无磁钻具使用量的需求也越来越多，由此产生的费用直线上升。
对无磁钻具的保护已经成为一个十分重要的命题。因此迫切需要研制一种无磁钻铤耐磨带材料，以提高无磁钻铤的耐磨性和使用寿命，并且降低钻具的使用成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种无磁耐磨药芯焊丝，主要用于无磁钻铤、无磁钻杆的耐磨带位置的焊接，利用该焊丝焊接的耐磨带可增长其使用寿命，降低钻具的使用成本，利用该药芯焊丝良好的焊接工艺性，具有较高的硬度值HRC≥50，磁导率≤1.01μt。
本发明所提供的方案如下：
一种无磁耐磨药芯焊丝，包括药芯和钢带，所述药芯包裹在所述钢带内，所述药芯包括以下按质量百分比计的组份：铝粉2-5%、石英1-3%、金属锰2-5%、75#硅铁4-6%、碳化钨15-18%、碳化钒10-12%、金属铬8-12%、镍粉10-15%、钼粉2-5%、余量为铁粉；组份总量为100%。
其中，本发明所述的各组分中，具体的成分为：
所述铝粉的成分为：Al≥97%、Si≤0.5%、Fe≤0.5%；
所述石英的成分为：SiO2≥97％、Al2O3≤1.0%、S≤0.040％、P≤0.040％；
所述金属锰的成分为：Mn≥99.8%、C≤0.04%、S≤0.040％、P≤0.005％；
所述75#硅铁的成分为：Si≥72%、S≤0.02%；
所述碳化钨的成分为：WC≥70%、P≤0.04%、S≤0.06%；
所述碳化钒的成分为：VC≥75%；
所述金属铬的成分为：Cr≥99%、C≤0.02%、S≤0.02%；
所述钼粉的成分为：Mo≥99%、C≤0.02%、P≤0.02%；
所述镍粉的成分为：Ni≥99%、S≤0.010%、C≤0.030%。
其中，上述各组分的颗粒度为60~120目。
更好的，上述各组分的颗粒度满足下述条件：
铝粉的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
石英的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
金属锰的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过160目的粉粒≤50%；
75#硅铁的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过120目的粉粒≤65%，通过200目的粉粒≤35%；
碳化钨的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
碳化钒的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
金属铬的颗粒度满足：通过80目粉粒≥95%，且通过200目的粉粒≤25%；
钼粉的颗粒度满足：通过60目粉粒≥95%；
镍粉的颗粒度满足：颗粒度满足：通过60目的粉粒≥100％，且通过120目的粉粒≤30％。
本发明所述的钢带为SUS410钢带，具体的成分为：
所述SUS410钢带包括以下质量百分比的组份：C≤0.15%， Mn≤1%， Si≤1%， P≤0.030%， S≤0.030%， Cr 11.5～13.5%，其余为铁。
本发明所述的无磁耐磨药芯焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
本发明所述的一种无磁耐磨药芯焊丝，药芯各组分的作用原理如下：
铝粉：主要作用是起到脱氧、脱氮的作用，避免焊缝内部产生CO和N2气孔，焊接过程中与氧气反应形成氧化物，并且容易与氮强力结合，形成稳定的AlN夹渣物，该物质不容易液态金属，形成微量熔渣到焊缝表面。
石英：主要成分是SiO2，SiO2熔点为1750℃。随着SiO2含量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，SiO2还容易和Al2O3在高温条件下形成玻璃物质，共同析出于焊缝内部，形成熔渣。从理论上讲，容易控制熔渣的成分，所以优先选作石英作为SiO2的添加形式。
75#硅铁：Si是强铁素体形成元素，除在铁素体和奥氏体中可以提高固溶强化作用外，值得一提的是还具有脱氧效果，通常Mn的含量与Si的含量是紧密联系的，虽然Si对焊缝的屈服强度和抗拉强度影响不大，甚至对焊缝的韧性有害，但是Si的脱氧能力是Mn的4 倍，所以Si的添加还是有必要的，使焊缝中的氧含量降低，减小氧对焊缝金属的不利影响。
金属铬：Cr具有提高淬透性，强化固溶，在高合金中形成 Cr2C，可以促进二次硬化效应，增强硬度，形成细小弥散的沉淀相。
碳化钨：可以提高焊缝的硬度。
碳化钒：具有较强的相对稳定性，可以细化钢的晶粒，增强钢的韧性和强度；同时该碳化物可以提高钢的硬度。
钼粉：Mo不仅能提高淬透性，强化固溶，而且可以抑制回火脆性，形成 Mo2C 后可以增强二次硬化效果。Mo还可以消除或减轻其它合金元素造成的回火脆性，不仅能够使钢的淬透性和延展性得到增强，而且可以很大程度上改善钢的冲击韧度。
镍粉：主要的合金元素加入到药芯中，在含Mn焊缝中增加Ni后将发生变化: 焊缝中先共析铁素体的比例逐渐减少，而针状铁素体逐渐增多，Ni与Mn的匹配必须合理，否则将使焊缝严重脆化。
金属锰：在焊缝金属中含量的增加，可以提高焊缝的屈服强度和抗拉强度，当Mn含量为1.5%时，焊缝的韧性达到最高值。
本发明所述的无磁耐磨药芯焊丝使用申请人自有的缝药芯焊丝制造工艺，具体包括以下步骤：
S1、将钢带轧制成U型槽；
S2、将混合均匀的粉芯混合粉料填充至所述U型槽中；
S3、将含有粉芯混合粉料的所述U型槽闭合，轧制成O型后焊合，并拉拔至设定直径。
本发明主要通过以下途径提高焊缝的耐磨性、耐热性以及降低焊缝的磁导率。
（1）在焊接的过程中，WC颗粒向焊缝中扩散明显，并发生溶解现象，在热影响区内原来在硬质合金界面处中WC的紧密排列方式，变为了弥散分布，在扩散出去的 WC 原来位置上填充着从焊缝中扩散进来的大量 Fe 元素，填补热影响区中的缺陷。
（2）在焊接中，热影响区中WC和Ni形成W-Ni-C体系，在高温下，一部分的 WC 发生溶解，分解成游离态的W、C 原子，它们固溶于液相 Ni 中，随着固溶体中C的化学位高于焊缝中C的化学位时，C原子由硬质合金向低化学位的焊缝中扩散，随着C原子的扩散，溶解的游离 C原子继续融入Ni相中，形成动态的化学平衡。
（3）在 W-Ni-C体系中,添加VC可以使合金的铁磁性发生转变为顺磁性，也就是无磁性，主要的作用机理是VC熔入Ni中形成固溶体，减弱电子间的交换作用，扩大Ni的晶格常数。
（4）VC可以使WC颗粒明显细化，使合金组织结构得到一定的改善,提高焊缝金属的硬度。
与现有技术相比，本发明优点是：
1、本发明主要用于无磁钻铤、无磁钻杆的耐磨带位置的焊接，利用该焊丝焊接的耐磨带可增长其使用寿命，降低钻具的使用成本，利用该药芯焊丝良好的焊接工艺性，具有较高的硬度值HRC≥50，磁导率≤1.01μt。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
另外需要说明的是，本发明中未具体说明的材料组份，均选自焊丝技术领域的常规原料，并能通过一般商业途径获得，以下各实施例中除了明确给出的数值外，其他未公布条件均相同。
以下将以具体的实施例进行说明，在下述实施例中，各组分的颗粒度均满足：
铝粉的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
石英的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
金属锰的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过160目的粉粒≤50%；
75#硅铁的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过120目的粉粒≤65%，通过200目的粉粒≤35%；
碳化钨的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
碳化钒的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
金属铬的颗粒度满足：通过80目粉粒≥95%，且通过200目的粉粒≤25%；
钼粉的颗粒度满足：通过60目粉粒≥95%；
镍粉的颗粒度满足：颗粒度满足：通过60目的粉粒≥100％，且通过120目的粉粒≤30％。
实施例1
一种无磁耐磨药芯焊丝，所述药芯各成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：铝粉4%、石英2%、金属锰4%、75#硅铁4%、碳化钨15%、碳化钒11%、金属铬11%、镍粉14%、钼粉5%、余量为铁粉。组分总含量100%。所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为20％，所述无缝药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例2
一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯各成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：铝粉2%、石英3%、金属锰2%、75#硅铁6%、碳化钨18%、碳化钒10%、金属铬10%、镍粉11%、钼粉5%、余量为铁粉。组分总含量100%。所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为22％，所述无缝药芯焊丝的直径为1.4mm。
实施例3
一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯各成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：铝粉5%、石英1%、金属锰4%、75#硅铁5%、碳化钨16%、碳化钒12%、金属铬8%、镍粉15%、钼粉3%、余量为铁粉。组分总含量100%。所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为25％，所述无缝药芯焊丝的直径为1.6mm。
实施例4
一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯各成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：铝粉3%、石英2%、金属锰3%、75#硅铁5%、碳化钨17%、碳化钒11%、金属铬12%、镍粉10%、钼粉4%、余量为铁粉。组分总含量100%。所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为24％，所述无缝药芯焊丝的直径为1.6mm。
表1实施例1-4的药芯焊丝选用的SUS410钢带外皮的化学成分(质量百分比％)
表2实施例1-4无磁耐磨药芯焊丝的配方(质量百分比％) 和直径（mm）
采用上述对应实施例药芯焊丝，采用气保的焊接方式进行焊接。使保护气体采用80%Ar+20%CO2混合气体。对应实施例焊丝试验焊通过表3的焊接参数进行焊接，采用多层多道的堆焊方式，堆焊至少4层后自然冷却至室温，再分别进行硬度值测试以及磁导率的测试。硬度测试使用洛氏硬度计HR-150A进行硬度测试；磁导率测试保证在周围无强磁场干扰场地，使用 RCY-2 型弱磁材料磁导率测量仪进行测试；耐磨性试验使用磨损试验机进行磨损试验，然后通过失重法的计算方式，计算出相对磨损率。实验结果见下表。
表3实施例1-4无磁耐磨药芯焊丝的焊接参数
表4实施例1-4的硬度测试值
表5实施例1-4的磁导率测试值
表6 实施例1-4 的磨损测试数据记录以及相对磨损率
由表3、4、5、6中可以看出，所述药芯焊丝用于焊接无磁钻杆、钻铤的耐磨层利用该药芯焊丝良好的焊接工艺性，具有较高的硬度值HRC≥50，磁导率≤1.01μt，相对磨损率≤0.01%，该性能完全满足无磁钻具的焊接要求，可以延长无磁钻具的使用寿命，并且降低无磁钻具的使用成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种无磁耐磨药芯焊丝，包括药芯和钢带，所述药芯包裹在所述钢带内，其特征在于，所述药芯包括以下按质量百分比计的组份：铝粉2-5%、石英1-3%、金属锰2-5%、75#硅铁4-6%、碳化钨15-18%、碳化钒10-12%、金属铬8-12%、镍粉10-15%、钼粉2-5%、余量为铁粉；
组份总量为100%。
2.根据权利要求1所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述铝粉的成分为：Al≥97%、Si≤0.5%、Fe≤0.5%；
所述石英的成分为：SiO2≥97％、Al2O3≤1.0%、S≤0.040％、P≤0.040％；
所述金属锰的成分为：Mn≥99.8%、C≤0.04%、S≤0.040％、P≤0.005％；
所述75#硅铁的成分为：Si≥72%、S≤0.02%；
所述碳化钨的成分为：WC≥70%、P≤0.04%、S≤0.06%；
所述碳化钒的成分为：VC≥75%；
所述金属铬的成分为：Cr≥99%、C≤0.02%、S≤0.02%；
所述钼粉的成分为：Mo≥99%、C≤0.02%、P≤0.02%；
所述镍粉的成分为：Ni≥99%、S≤0.010%、C≤0.030%。
3.根据权利要求1或2所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中各组分的颗粒度为60~120目。
4.根据权利要求3所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中各组分的颗粒度为：
铝粉的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
石英的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥95%；
金属锰的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过160目的粉粒≤50%；
75#硅铁的颗粒度满足：通过60目的粉粒≥95%，且通过120目的粉粒≤65%，通过200目的粉粒≤35%；
碳化钨的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
碳化钒的颗粒度满足：通过80目的粉粒≥98%；
金属铬的颗粒度满足：通过80目粉粒≥95%，且通过200目的粉粒≤25%；
钼粉的颗粒度满足：通过60目粉粒≥95%；
镍粉的颗粒度满足：颗粒度满足：通过60目的粉粒≥100％，且通过120目的粉粒≤30％。
5.根据权利要求1所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述钢带为SUS410钢带。
6.根据权利要求5所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述SUS410钢带包括以下质量百分比的组份：C≤0.15%， Mn≤1%， Si≤1%， P≤0.030%， S≤0.030%， Cr 11.5～13.5%，其余为铁。
7.根据权利要求1所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
8.根据权利要求1、2、4-7中任一权利要求所述一种无磁耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述无磁耐磨药芯焊丝的硬度值HRC≥50，磁导率≤1.01μt。
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