無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于石油鉆井裝置加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法。要解決的技術(shù)問題是在制備無磁鉆具中，使用無磁鋼材和４１４５Ｈ兩種不同材料之間的摩擦焊接問題。方案是，兩種材料分別為使用無磁材料制成的接頭與4145H材料制成的管體；所述的無磁材料的焊接面積較4145H材料焊接面積少；焊接前對無磁材料進行激光衍射預(yù)熱，按確定好的焊接參數(shù)進行焊接，當(dāng)摩擦焊口降到室溫后，蓋上液態(tài)氮氣罩對無磁接頭部分焊口進行-150℃深冷處理。解決了異型金屬材料的摩擦焊接問題，通過本技術(shù)將低成本的碳鋼作為鉆具的中間部分，因而成本降低，性能提高數(shù)倍，接頭部位在實用中沒有斷裂過，完全達到客戶需求。
【專利說明】無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油鉆井裝置加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種無磁金屬材料與異型金屬材 料的摩擦焊接方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 摩擦焊接是一種固態(tài)焊接方法。是W摩擦熱為熱源，通過機械摩擦運動及施加軸 向壓力使兩摩擦表面加熱到塑性狀態(tài)，然后利用此熱量將同種金屬、異種金屬聯(lián)接起來。多 年來，摩擦焊接W其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染的技術(shù)特色，深受制造業(yè)的重視。
[0003] 目前存在的技術(shù)難點，摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用基本上都是在同等材料之間或者接近 材料之間。但是在不同密度的材料之間和不同烙點材料之間，非磁材料和合金鋼材之間的 摩擦焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用一直是空白。由于電化學(xué)的電池作用使得該一領(lǐng)域成為禁區(qū)。 同時，由于異種材料的烙點、導(dǎo)熱率、W及塑性流動能力相差較大，工藝參數(shù)的選擇較同種 材料的摩擦焊接有較大差別。按照普通的摩擦焊接技術(shù)，該兩種材料差異較大的工件，不能 達到焊接技術(shù)要求。其他傳統(tǒng)工藝的液相焊接技術(shù)和普通的摩擦焊接技術(shù)在不同金屬類型 材料之間焊接后極易產(chǎn)生電池腐蝕效應(yīng)，不能滿足產(chǎn)品即能防止電池腐蝕又抗磁性要求。 但是，大量生產(chǎn)實踐中又需要高性能的貴重耐腐蝕金屬材料與普通合金鋼的焊接。
[0004] 無磁鉆具是石油開采定向鉆井中用到的一種裝備，主要作用隔離地球磁場，其材 料組成主要有高猛鋼系列或銅媒系列。除了價格昂貴，還有高抗腐蝕特點，如果不計較成 本，整個鉆具全部使用無磁鋼或高強度防腐蝕鋼當(dāng)然很好，價格是普通碳鋼的5倍W上。但 是我們改進的愿望是制造一種整體使用無磁鋼或高強度防腐蝕鋼與普通合金鋼摩擦焊接 加工，中間部分采用普通合金鋼制成的鉆具。因此，我們決定研究開發(fā)一種將普通碳鋼石油 鉆具兩端接頭替換為無磁鋼、高強度防腐蝕鋼接頭，而中間管體采用普通碳鋼的加工技術(shù)， W使鉆具成本極大降低，性能不變。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在制備無磁鉆具中，使用無磁鋼材和414甜兩種不同 材料之間的摩擦焊接問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案，一種無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法，兩種材 料分別為使用無磁材料制成的接頭與414甜材料制成的管體；所述的無磁材料的焊接面積 較4145H材料焊接面積少；然后將加工好的端面焊接，焊接前對無磁材料進行激光衍射預(yù) 熱，預(yù)熱溫度為350-45(TC，按確定好的焊接參數(shù)進行焊接，其中頂鍛分H次頂鍛，每次間隔 1. 2s，控制塑性變形量20-30mm，頂鍛后當(dāng)焊縫溫度下降到800 - 820C時噴水，噴到無磁材 料側(cè)，檢測414甜鋼表面溫度下降到680度后停止噴水，讓無磁材料端利用414甜鋼余熱自 行滲透回火，當(dāng)摩擦焊口降到室溫后，蓋上液態(tài)氮氣罩對無磁接頭部分焊口進行-15CTC深 冷處理。
[0007] 為了最大可能均衡和消除不同材料之間的內(nèi)應(yīng)力，本發(fā)明對焊接后產(chǎn)品采用全長 整體振動時效處理技術(shù)進行加工處理。
[0008] 所述的無磁材料的焊接面積較4145H材料焊接面積少20%，具體尺寸參數(shù)為；其中 414甜材料接頭加工參數(shù)，外徑168. 3mm，內(nèi)徑71. 4,長度大于等于2. 5米長；414甜材料距 端150mm長，將168. 3mm外徑的端面倒4X45。倒角，將71. 4內(nèi)徑45。倒角成直徑98. 7mm ; 無磁材料管體參數(shù)，外徑168. 3mm，內(nèi)徑71. 4,400mm長，無磁材料接頭車內(nèi)徑98. 7mm， 深度IOmm的止口，內(nèi)徑98. 7mm止口與內(nèi)徑71. 4mm是用45度斜坡過渡，將168. 3mm外徑的 端面倒4 X 45。倒角，將98. 7mm內(nèi)徑的端面倒2 X 45。倒角，端面車3度角。
[0009] 與現(xiàn)有摩擦焊接技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新點在于： 1.對焊結(jié)構(gòu)采取非等截面積方案，由于無磁材料與4145H鋼的導(dǎo)熱率相差很大，故不 能等截面積，等溫場處理焊縫。因此，無磁材料設(shè)計的焊接截面積較414甜材料對接的焊接 截面積要少一定數(shù)值； 具體是，無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法，兩種材料分別為使用無磁材 料制成的接頭與4145H材料制成的管體，所述的無磁材料的焊接面積較4145H材料焊接面 積少20%。
[0010] 2.焊接前的激光預(yù)熱方案，焊接前對無磁材料進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350-45(TC， 為了防止電加熱使無磁材料著磁的問題，本發(fā)明采用對無磁材料進行激光預(yù)熱，預(yù)熱溫度 為350° -450°，預(yù)熱采用激光衍射預(yù)熱方法進行，無磁料和裝有激光的導(dǎo)熱體一起用石 棉布包裹裝入摩擦焊機內(nèi)；在開始焊接前將激光預(yù)熱導(dǎo)體取出。
[0011] 3.摩擦焊后分段熱處理 焊接參數(shù)；一級摩擦壓力4. 8MPa，二級摩擦壓力lOMPa，頂鍛壓力18MPa，時間20s，雙邊 變形量20-30mm，接頭對方管體同軸度《2 ; 按確定好的焊接參數(shù)進行焊接，其中頂鍛分H次頂鍛，每次間隔1. 2s，控制塑性變形量 20-30mm，當(dāng)溫度800-82(TC時噴水，噴到無磁鋼側(cè)，不能噴到焊縫和414甜鋼材側(cè)，對焊縫 和414甜側(cè)進行隔離保護，檢測414甜斷面溫度下降到68(TC后停止噴水，讓無磁材料端利 用余熱自行回火。
[0012] 4.采用深冷技術(shù)處理摩擦焊口 當(dāng)摩擦焊口降到室溫后，蓋上液態(tài)氮氣罩對無磁接頭部分焊口進行-15CTC深冷處理， 進行微形變處理。
[0013] 5.對焊接后的鉆具采用振動時效技術(shù)進行全長應(yīng)力均衡處理，為了最大可能均衡 和消除不同材料之間的內(nèi)應(yīng)力，本發(fā)明采用對焊接后產(chǎn)品全長整體振動時效處理技術(shù)。
[0014] 綜合來說，本發(fā)明所述焊接工藝，將普通碳鋼石油鉆具兩端接頭替換為無磁鋼、高 強度防腐蝕鋼接頭，而中間管體采用普通碳鋼加工。由于異種材料的烙點、導(dǎo)熱率、W及塑 性流動能力相差較大，工藝參數(shù)的選擇較同種材料的摩擦焊接有一定差別。本發(fā)明所述摩 擦焊接技術(shù)解決了異型金屬材料的摩擦焊接問題，通過本技術(shù)將低成本的碳鋼作為鉆具的 中間部分，因而成本降低，性能提高數(shù)倍，接頭部位在實用中沒有斷裂過，完全達到客戶需 求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明兩個焊接部分的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為預(yù)熱部分結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為通過現(xiàn)有摩擦焊接技術(shù)得到的產(chǎn)品接口處結(jié)構(gòu)圖(焊接不達標(biāo)）； 圖4為圖3所示意中金相組織顯微照片； 圖5為按照本發(fā)明焊接工藝后的產(chǎn)品照片； 圖6為圖5所述產(chǎn)品的金相組織照片； 圖7為焊口檢測圖(碳鋼組織為回火索氏體+條狀鐵素體)。

【具體實施方式】
[0016] 一種無磁金屬材料與異形金屬材料的摩擦焊接方法，如圖1所示意，原材料使用 無磁材料(無磁鋼）制成的接頭1與414甜材料制成的管體2 ; 所述的無磁材料的焊接面積較4145H材料焊接面積少20%，具體參數(shù)如下： 無磁材料管體1參數(shù)，外徑168. 3mm，內(nèi)徑71. 4,400mm長，硬度和機械性能符合API 7-1要求。無磁材料接頭1車內(nèi)徑98. 7mm，深度IOmm的止口，內(nèi)徑98. 7mm止口與內(nèi)徑 71. 4mm是用45度斜坡過渡，將168. 3mm外徑的端面倒4X45。倒角，將98. 7mm內(nèi)徑的端面 倒2X45。倒角，端面車3°角，其中AISI 414甜材料接頭2加工參數(shù)，外徑168. 3mm，內(nèi)徑 71. 4,長度大于等于2. 5米長；熱處理后硬度和機械性能符合API 7-1要求。
[0017] 414甜材料2距端150mm長，將168. 3mm外徑的端面倒4X45。倒角，將71. 4內(nèi) 徑45°倒角成直徑98. 7mm; 然后將加工好的兩個端面摩擦焊接，如圖2所示意，焊接前使用導(dǎo)熱體3和連接軸4對 無磁材料1進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350° -450°，預(yù)熱采用激光衍射預(yù)熱方法進行，無磁材 料1和導(dǎo)熱體（內(nèi)裝有激光發(fā)熱器）3 -起用石棉布包裹裝入摩擦焊機內(nèi)； 焊接參數(shù)；一級摩擦壓力4. 8MPa，二級摩擦壓力lOMPa，頂鍛壓力18MPa，時間20s，雙邊 變形量20-30mm，接頭對方管體同軸度《2 ; 按確定好的焊接參數(shù)進行焊接，其中頂鍛分H次頂鍛，每次間隔1. 2s，必須給時間使金 屬充分滲透，加大塑變區(qū)域，充分控制塑性變形量20-30mm，頂鍛后立即蓋上液態(tài)氮氣罩對 無磁接頭部分焊口進行深冷處理，進行形變固溶處理，當(dāng)溫度800-82(TC時噴水，噴到無磁 鋼側(cè)，不能噴到焊縫和414甜鋼材側(cè)，對焊縫和414甜側(cè)進行隔離保護，檢測414甜斷面溫 度下降到68(TC度后停止噴水，讓無磁端自行回火，回火溫度630-65(TC。
[0018] 焊接尺寸設(shè)計計算過程；由于無磁材料的導(dǎo)熱率低于4145H，因此將無磁材料的 焊接面積減少20% ;于是414甜材料采用外徑是168. 3、內(nèi)徑是71. 4,在無磁材料外徑尺 寸不變也是168. 3時，無磁內(nèi)徑尺寸的計算數(shù)是；[168. 32 - 0.8X (168. 32 - 71. 42 )] 1/2=98. 7 ;無磁接頭料要求外徑168. 3mm，車內(nèi)徑98. 7mm，長度IOmm的止口，內(nèi)徑98. 7mm止 口與內(nèi)徑71. 4mm是用45度斜坡過渡，將168. 3mm外徑的端面倒4X45。倒角，將98. 7mm 內(nèi)徑的端面倒2X45。倒角，端面車3度角。AISI 414甜材料距端150mm長，外徑車成 168. 3mm，將168. 3mm外徑的端面倒4X45。倒角，將71. 4內(nèi)徑45。倒角成直徑98. 7對焊。
[0019] 焊前預(yù)熱；無磁材料烙點1600-1800 °C，而414甜材料烙點1400-1500 °C，兩者 相差幾百度，由于無磁材料導(dǎo)熱率低于4145H，屈服很差，因此需要對無磁材料進行預(yù)熱，使 他們同時屈服，預(yù)熱溫度為350° -450°，預(yù)熱采用激光衍射預(yù)熱方法進行，無磁料和導(dǎo)熱 體一起用石棉布包裹裝入摩擦焊機內(nèi)，焊前取出導(dǎo)熱。
[0020] 摩擦焊后檢測后處理： 1、先去除內(nèi)外飛邊。
[0021] 2、對焊縫和熱影響處進行硬度檢驗。
[0022] 3、進行超聲波探傷檢測并做記錄。
[0023] 4、進行壓彎檢測，壓彎壓力控制在7MPa-9MPa之間；轉(zhuǎn)動工件進行四個方向壓彎 檢測。
[0024] 5、按焊接取試樣要求進行取機械性能和金相分析試樣，取測彎試樣和低倍試樣； 進行機械性能和金相分析，進行測彎檢測和低倍檢測。
[0025] 本發(fā)明焊口性能實驗報告

【權(quán)利要求】
1. 一種無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法，其特征是，兩種材料分別為使 用無磁材料制成的接頭與4145H材料制成的管體；所述的無磁材料的焊接面積較4145H材 料焊接面積少；然后將加工好的端面焊接，焊接前對無磁材料進行激光衍射預(yù)熱，預(yù)熱溫度 為350-450°C，按確定好的焊接參數(shù)進行焊接，其中頂鍛分三次頂鍛，每次間隔1.2s，控制 塑性變形量20-30mm，頂鍛后當(dāng)焊縫溫度下降到800 - 820C時噴水，噴到無磁材料側(cè)，檢測 4145H鋼表面溫度下降到680度后停止噴水，讓無磁材料端利用4145H鋼余熱自行滲透回 火，當(dāng)摩擦焊口降到室溫后，蓋上液態(tài)氮氣罩對無磁接頭部分焊口進行_150°C深冷處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法，其特征 在于：所述的無磁材料的焊接面積較4145H材料焊接面積少20%，具體尺寸參數(shù)為：其中 4145H材料接頭加工參數(shù)，外徑168. 3mm，內(nèi)徑71. 4mm，長度大于等于2. 5米長；4145H材 料距端150mm長，將168. 3mm外徑的端面倒4X45°倒角，將71. 4mm內(nèi)徑45°倒角成直徑 98. 7mm ; 無磁材料管體參數(shù)，夕卜徑168. 3mm，內(nèi)徑71. 4mm，400mm長，無磁材料接頭車內(nèi)徑 98. 7mm，深度10mm的止口，內(nèi)徑98. 7mm止口與內(nèi)徑71. 4mm是用45度斜坡過渡，將168. 3mm 外徑的端面倒4X45°倒角，將98. 7mm內(nèi)徑的端面倒2X45°倒角，端面車3度角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無磁金屬材料與異型金屬材料的摩擦焊接方法，其特征在 于：對焊接后的鉆具采用振動時效技術(shù)進行全長應(yīng)力均衡處理。
【文檔編號】B23K20/24GK104259651SQ201410396789
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】宮晉文, 閆獻國, 宮飛, 南永強, 宮宜欣, 扎哈羅夫·謝爾蓋·尤里耶維奇 申請人:山西環(huán)界石油鉆具制造股份有限公司