DE2804317C2

DE2804317C2 - Verfahren zum Herstellen einer Hartauftragsschweißung auf der Außenseite eines Erdbohrgestängeverbinders

Info

Publication number: DE2804317C2
Application number: DE2804317A
Authority: DE
Inventors: Leo D. Pearland Tex. Lane; Allen E. Houston Tex. Wisler
Original assignee: Hughes Tool Co 77023 Houston Tex; Hughes Tool Co
Current assignee: GRANT TFW Inc HOUSTON TEX US
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-02-01
Publication date: 1984-07-12
Also published as: CA1114691A; US4243727A; DE2804317A1; IT7820556A0; FR2388984A1; ATA70378A; MX152545A; IT1092813B; AT357498B; JPS53132447A; FR2388984B1; BR7708790A; NL7801374A; JPS5635986B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Das üblichste Bohrgestänge, das bei Erdbohrarbeiten benutzt wird, hat Gestängeverbinder an jedem Ende, die im Durchmesser größer sind als das Bohrgestänge. Ringförmige Streifen einer Hartauftragsschweißung sind üblicherweise auf die Außenseite jedes Gestängeverbinders aufgebracht und enthalten mikroskopische Kömchen Wolframcarbids in einem metallischen Grundmaterial.

Bei einem bekannten Verfahren (US-PS 3800891) der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art wird eine Kömchen gesinterten Wolframcarbids enthaltende Hartauftragsschweißung auf den Gestängeverbinder aufgebracht, indem der Gestängeverbinder gedreht, mit einem abschmelzenden Stahldraht ein Lichtbogen gezogen, ein Inertgas um den Draht herum zugeführt wird und Kömchen gesinterten Wolframcarbids durch Schwerkraft hinter dem Draht in die Schweißlache gefördert werden. Die Körnchen gesinterten Wolframcarbids werden in der Hartauftragsschweißung durch das metallische Grundmaterial, in das sie eingebettet sind, zusammengehalten. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß viele Kömchen gesinterten Wolframcarbids, die in das Grundmaterial eingebettet werden, bis an die Oberfläche der Hartauftragsschweißung reichen, wodurch sich eine rauhe, scheuernde Oberfläche ergibt. In tiefen Bohrlöchern werden Rohrfahrten gesetzt, wenn das Bohrloch gebohrt wird. Während durch eine Rohrfahrt tiefer gebohrt wird, kann die rauhe Oberfläche der Hartauftragsschweißung das Rohr abschleifen und beschädigen.

Es sind zwar bereits reine Legierungshartauftragsschweißungen benutzt worden, bei denen keine Kömchen gesinterten Wolframcarbids benutzt werden, so daß die Oberfläche glatter ist, diese Auftragsschweißungen haben sich jedoch nicht als so verschleißfest erwiesen wie Hartauftragsschweißungen mit Kömchen gesinterten Wolframcarbids. Es ist deshalb auch bereits über eine erste Schicht aus einer Hartauftragsschweißung mit Körnchen gesinterten Wolframcarbids eine Legierungsschicht aufgebracht worden. Das kann zwar bei richtigem Aufbringen der Legierungsschicht zufriedenstellende Ergebnisse erbringen, fügt jedoch einen zusätzlichen Arbeitsgang hinzu, da zwei Schichten benutzt werden. Weiter können solche Hartauftragsschweißungsdoppelschichten aufgrund des Wärmestoßes durch das Rückerhitzen der ersten Schicht stärker zum Reißen neigen. Außerdem kann sich eine schlechte Kömchenverteilung ergaben, wenn die Rückerhitzung nicht genau kontrolliert wird.

Fs ist weiter ein Verfahren zum Herstellen einer Hartauftragsschweißung bekannt (US-PS 32605⁷9), bei dem wahlweise Sinterwolframcarbidkörnchen oder Gußwolframcarbidkörnchen benutzt werden können.

Durch dieses Verfahren werden aber ebenfalls Hartauftragsschweißungen erzielt, bei der die Wolframcarbidkörnchen, die in das Grundmaterial eingebettet sind, bis an die äußere Oberfläche der Hartauftragsschwei-. ßung reichen. Bei diesem bekannten Verfahren werden Gußwolframcarbidkörnchen mit einer Größe von etwa 0,15 mm benutzt, die somit viel kleiner sind als üblicherweise verwendete Kömchen gesinterten Wolframcarbids, welche eine Größe von etwa 0,35 mm haben. Durch die Verwendung kleinerer Gußwolframcarbidteilchen ergibt sich zwar eine etwas glattere Oberfläche, die Verschleißfestigkeit der Hartauftragsschweißung ist jedoch geringer.

Bei noch einem weiteren bekannten Verfahren zum Herstellen einer Kömchen Wolframcarbids enthaltenden Kartauftragsschweißung (US-PS 27 09 213) wird der Lichtbogen zwischen einem Werkstück und einer Elektrode erzeugt, bei der es sich nicht um eine Abschmelzelektrode handelt. Der Lichtbogen schmilzt die Oberfläche des Werkstückes auf, die Wolframcarbidkörnchen fallen in die Schweißlache und werden in das Grundmaterial, das in diesem Fall aus dem aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstückes besteht, eingebettet. Auch hier fallen wie bei dem oben zuerst beschriebenen bekannten Verfahren die Wolframcarbidteilchen deutlich hinter dem Lichtbogen in die Schweißlache. Das Fördern von Kömchen Wolframcarbids, insbesondere gesinterten Wolframcarbids, direkt in den Lichtbogen, wurde für unerwünscht gehalten, weil stets befürchtet wurde, daß die direkte Zufuhr in den Lichtbogen die Wolframcarbidkörnchen zu schnell zum Schmelzen bringen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art so zu verbessern, daß die auf einem Erdbohrgestängeverbinder hergestellte Hartauftragsschweißung eine glatte Oberfläche aufweist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Schritt gelöst.

so Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält die Hartauftragsschweißung eine Oberfläche, die frei von vorstehenden Körnchen gesinterten Wolframcarbids ist. Dieser Vorteil wird dadurch erzielt, daß die Kömchen gesinterten Wolframcarbids bei der Herstellung der Hartauftragsschweißung - entgegen dem Vorurteil der Fachwelt - direkt in den Lichtbogen fallen gelassen werden. Die Kömchen gesinterten Wolframcarbids bewegen sich dabei in den unteren Teil des Grundmaterials, wodurch die erwünschte glatte Oberfläche geschaffen wird. Die Gesamtdichte der in das Grundmaterial eingebetteten Kömchen ist zwar insgesamt die gleiche wie bei den bekannten Verfahren, die Konzentration erscheint jedoch am Grund der Hartauftragsschweißung größer zu sein, und das Grundmaterial ist in diesem Bereich härter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilseitenansicht eines Erdbohrgestängeverbinders, der mit einer durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellten Hartauftragsschweißung versehen ist,

F i g. 2 eine Schnittansicht eines Teils eines Gestängeverbinders mit einer bekannten Hartauftragsschweißung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teils der Hartauftragsschweißung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Vorderseitenansicht einer bekannten Schweißvorri-htung zum Aufbringen einer Hartauftragsschweißung aus gesintertem Wolframcarbid auf einen Gestängeverbinder, der in Endansicht teilweise dargestellt ist,

Fig. 5 eine Vorderseitenansicht eines Teils der Schweißvorrichtung, die benutzt wird, um die Hartauftragsschweißung auf den Gestängeverbinder nach Fig. 1 aufzubringen, der hier in Endansicht teilweise dargestellt ist, und

Fig. 6 in Draufsicht einen Verlängerungjblock der Schweißvorrichtung nach Fig. 5.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Gestängeverbinders 11 mit ringförmigen Streifen 13 einer Hartauftragsschweißung. Gemäß Fig. 3 sind Körnchen 15 gesinterten Wolframcarbids in das Grundmaterial 17 der Hartauftragsschweißung eingebettet. Die Oberfläche 19 ist glatt und im wesentlichen frei von vorstehenden Körnchen 15. Diese Hartauftragsschweißung ist durch eine Hartauftragsschweißvorrichtung 21 aufgebracht worden, die teilweise in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Schweißvorrichtung 21 enthält nicht dargestellte Mittel zum Festhalten des Gestängeverbinders 11 in einer horizontalen Lage und zum Drehen desselben in der durch einen Pfeil 22 angegebenen Richtung. Ein Führungsteil 23 ist mit seiner unteren Fläche 24 über dem Gestängeverbinder 11 in einem Abstand von etwa 19 mm montiert. Das Führungsteil 23 enthält Einrichtungen (nicht dargestellt) zum Vorschieben eines Abschmelzschweißdrahtes 25 aus Stahl durch seine Mitte zu dem Gestängeverbinder. Der Draht 25 hat einen Abstand von ungefähr 3 mm von der Oberfläche 26 des Gestängeverbinders 11, wobei ungefähr 15,7 mm Draht freiliegen. Die Längsachse 27 des Führungsteils 23 ist unter einem Winkel α von ungefähr 23° gegen die Vertikalebene 29 geneigt. Der Draht 25 dient als Elektrode und der Punkt, an welchem der Lichtbogen zwischen dem Draht 25 und der Gestängeverbinderoberfläche 26 erzeugt wird, hat von einem oberen Totpunkt 31 einen Umfangsabstand, der gleich einem Winkel β von ungefähr 13° gegen die Vertikalebene 29 ist. Der obere Totpunkt 31 ist ein Punkt, in welchem die Vertikalebene 29 durch die Gestängeverbinderoberfläche 26 und die Längsachse 30 des Gestängeverbinders hindurchgeht.

Ein Strom von im wesentlichen inertem Gas, Vorzugsweise Argon, der mit der Bezugszahl 33 bezeichnet ist, tritt aus dem Führungsteil 23 aus und umhüllt den Draht 25. Im hier beschriebenen Fall sind 5% Sauerstoff mit dem Inertgas vermischt. Die Schweißvorrichtung 21 hat nicht dargestellte Einrichtungen zum Hin- und Herbewegen des Führungsteils 23 parallel zu der Längsachse 30 des Gestängeverbinders.

Die Körnchen 15 gesinterten Wolframcarbids werden durch Schwerkraft aus einem Rohr 35 zugeführt, welches an dem Führungsteil 23 befestigt und gegen dasselbe geneigt ist. Die Körnchen 15 werden durch eine Öffnung 37 des Rohres und von dieser aus durch eine Öffnung 39 eines Verlängerungsblocks 41 und auf die Oberfläche 26 des Gestängeverbinders 11 gefordert. Die Öffnung 39 erstreckt sich bündig von der Öffnung 37 aus unter demselben Neigungswinkel. Gemäß F i g. 6 ist die Öffnung 39 ein Kanal oder Schlitz, der in dem vorderen Rand des Verlängerungsblocks 41 gebildet ist. Die Vorderkante der Öffnung 39 ist ungefähr 6,4 mm von dem Draht 25 entfernt angeordnet. Der Neigungswinkel der Öffnung 39 ist so gewählt, daß die meisten Körnchen 15 direkt in den Lichtbogen fallen, wie in Fig. 5 gezeigt. Um die gewünschten Dichten zu erzielen, müssen die Öffnungen 37 und 39 gewisse Querschnittsflächen haben und infolgedessen wird, obgleich konzentriert, eine gewisse Menge der Körnchen 15 nicht direkt in den Lichtbogen sondern in die unmittelbare Nähe desselben fallen.

Im Betrieb werden Körnchen gesinterten Wolframcarbids, die 5 bis 7% Kobalt enthalten, bevorzugt, obgleich andere Bereiche und Bindemittel aus der Eisengruppe verwendbar sind. Eine bevorzugte Körnchengröße ist 0,6 mm bis 1,4 mm. Zur Erzielung einer gewünschten Hartauftragsschweißungsdichte von 1,4 bis 1,5 g/cm² ist die Öffnung 39 ungefähr 3 mm breit und 3 mm hoch. Der Gestängeverbinder 11 wird mit etwa 508 bis 560 mm/min gedreht, und das Führungsteil 23 wird mit 85 bis 95 Schwingungen pro Minute über eine Hublänge von 22,2 mm hin- und herbewegt. Eine geringfügige Überlappung ergibt Streifen 13 mit einer Breite von 19 mm. Der Lichtbogen wird gezogen, um eine Schweißlache zu erzeugen, wobei die erzeugten Temperaturen etwa 276O⁰C betragen. Argongas mit einem Gehalt von 5% Sauerstoffwird in den Lichtbogen gepumpt, und die Körnchen 15 gesinterten Wolframcarbids fallen in die Schweißlache in dem Lichtbogen. 0,225 bis 0,270 kp/min Körnchen gesinterten Wolframcarbids werden in die Schweißlache oder den Lichtbogen gefördert, um die gewünschte Dichte zu erzielen. Die Auftragsschweißung hat eine mittlere Dicke von 2,5 mm. Dem Gestängeverbinder 11 wird anschließend gestattet, in Luft abzukühlen, und er wird nicht wärmebehandelt. Das sich ergebende Produkt, das in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, hat eine Oberfläche 19, die frei von vorstehenden Körnchen ist. Einige Körnchen sind zwar nahe der Oberfläche 19 eingebettet, jedes Körnchen befindet rieh jedoch im wesentlichen vollständig unterhalb der Oberfläche. Die meisten Körnchen sind am Grund der Hartauftragsschweißung konzentriert. Die Auftragsschweißung enthält ungefähr 50 Gew.-% Körnchen 15 gesinterten Wolframcarbids und 50 Gew.-% Grundmaterial 17.

Fig. 4 zeigt eine bekannte Schweißvorrichtung 2Γ zum Aufbringen einer Hartauftragsschweißung aus gesintertem Wolframcarbid auf einen Gestängeverbinder 11. Der Verlängerungsblock 41 wird nicht benutzt, und die Menge an Draht 25', die über die untere Fläche 24' des Führungsteils 23' vorsteht, ist ungefähr halb so groß wie bei der in F i g. 5 gezeigten Schweißvorrichtung 21.

Die Neigungen des Führungsteiis 23' und der Öffnung 37' sind so gewählt, daß die Körnchen 15' in die Schweißlache an einer kühleren Stelle hinter dem Lichtbogen fallen, um die Legierungsbildung zu minimieren. Das Ergebnis ist, wie in Fig. 2 gezeigt, daß eine Anzahl Körnchen über die Oberfläche 19' vorsteht.

ProDen von Hartauftragsschweißungen wurden gemäß der Erfindung nach F i g. 5 und gemäß dem Stand der Technik nach F i g. 4 angefertigt. Härtelests wurden mit einem Tukon-Tester ausgeführt. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Rockwell »C«-Härte

Tiefe von der Neue Hartauftrags- Hartauftragsschweißung

Oberfläche (mm) schweißung gem. Stand der Technik

0,05	55,2	51,5
0,25	53,3	53,0
0,45	51,3	53,6
0,66	51,5	52,7
0.86	52.1	51,8
1,06	59,1	51,3
1,27	59,4	49,2
1,47	56,1	50,3
1,67	56,4	48,6
1,87	56,7	49,5
2,08	53,0	57,4
2,28	60,1	59,7
2,48	65,5	52,7
2,69	68,4	48,3

2(1

Die neue Hartauftragsschweißung ist nahe ihrem Grund härter als an der Oberfläche, während die bekannte Hartauftragsschweißung nicht härter und sogar weniger hart in der Nähe des Grundes als an der Oberfläche ist. Es wird angenommen, daß diese Differenz durch stärkere Legierungsbildung der Körnchen in der neuen Hartauftragsschweißung hervorgerufen wird. Diese Legierungsbildung von Körnchen in dem Grundmaterial erhöht dessen Härte.

Die zusätzliche Härte in der Nähe des Grundes in dem Bereich konzentrierter Körnchen ist als vorteilhaft anzusehen. Wenn die Hartauftragsschweißung verschleißt und mehr Körnchen freigelegt werden, sollte das Grundmaterial die Körnchen vor einem Überstehen über die Oberfläche schützen und eine glatte Verschleißfläche mit guter Verschleißfestigkeit aufrechterhalten. Labortests haben gezeigt, daß die neue Hartauftragsschweißung die gleiche oder eine größere Verschleißfestigkeit hat als die bekannte Hartauftragsschweißung gemäß Fig. 4.

Die neue Hartauftragsschweißung gemäß Fig. 5 hat ein glattes Äußeres, obgleich bei ihr relativ große Körnchen gesinterten Wolframcarbids benutzt werden, und ihre Abriebfestigkeit ist ebenso gut oder besser als die der bekannten Hartauftragsschweißung. Die neue Hartauftragsschweißung wird in einem einzigen Arbeitsgang und ohne zusätzliche Kosten aufgebracht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen einer Körnchen gesinterten Wolframcarbids enthaltenden Hartauftragsschweißung in ringförmigen Streifen auf der Außenseite eines Erdbohrgestängeverbinders, während der Gestängeverbinder gedreht und dabei ein Lichtbogen zwischen einem parallel zu der Gestängeverbinderachse hin- und herbewegten Abschmelzschweißdraht und dem Gestängeve· binder innerhalb eines Stroms von im wesentlichen inertem Gas gezogen wird, so daß eine Schweißlache entsteht, der dis Körnchen durch Schwerkraft zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführ der Körnchen so erfolgt, daß im wesentlichen sämtliche Körnchen direkt in den Lichtbogen fallen.