热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响

热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响

李耀

河南省濮阳市清丰县马庄桥镇长安街中原管具公司河南濮阳457001

摘要：在钻井作业过程中，钻杆要承受弯、扭、压、拉等各种复杂的载荷，因此钻杆使用的安全性尤为重要。摩擦焊钻杆具有抗弯能力强、柔韧性好、耐磨等优点，因而应用非常广泛。摩擦焊钻杆接头与管体之间的焊接早期为电弧焊和闪光对焊，如今则逐步发展为连续驱动摩擦焊接及惯性摩擦焊接，而生产效率和焊缝质量也随焊接方法的改进而不断提高。目前，惯性摩擦焊是最流行的一种钻杆对焊方法。摩擦焊是通过摩擦热和压力使工件连接起来，因而在焊接完成以后的热处理中，如果处理工艺不当，容易导致管体局部的韧性及塑性变差。

关键词：热处理工艺；摩擦焊接；钻杆

引言：石油钻杆是油田钻井设备上的重要零件。钻杆在使用过程中承受很大的拉应力和扭矩，并经受强烈的震动和冲击。因此，钻杆的力学性能必须满足一定要求。目前钻杆的生产和修复是采用摩擦焊工艺将钻杆接头和钻杆管体焊接而成。由于摩擦焊后焊缝得到的金相组织是混合组织，造成焊缝区硬度分布不均匀，局部区域硬度偏低，而冲击韧性偏高，满足不了使用要求，因此，焊后必须经过热处理调整焊缝区的金相组织和力学性能。文章主要对某管厂G105钻杆焊区试样的冲击试验检测中，发现个别试样韧性极差，为了找到相关原因，对其进行了一系列分析和探讨，并提出了相关建议。

一、试验中发现的问题

对某G105钻杆的抽检样品进行冲击试验，试样开V形坡口，尺寸为7.5mm×10mm×55mm，试验温度为－60℃。经过实验得出，2#和3#试样冲击功基本相同，均在110~120J范围内，而1#试样的冲击功明显偏低，只有12J。1#试样明显为脆性断口，剪切断面率为5%，2#和3#试样为韧性断口，剪切断面率均为100%。最终我们可以得出，1#试样的冲击脆性和2#及3#试样的冲击韧性形成了鲜明的对比。从试验过程来看，3个试样均取自同一根钻杆的焊区附近，试验温度均为－60℃，试验方法与试验设备也相同，3个试样按先后顺序依次做完，时间间隔很短，且试样编号一致，不存在与其他试样错混的因素，因此，试验本身并无问题。对样品的机加工过程进行调查，发现其取样及制作均依照程序，并未出现混样。试样加工过程中有冷却液，也未出现高温过热等影响，所以机加工环节并无问题。

二、理化检验分析

为了进一步查明样品韧性差别大的原因，对试样进行了金相、化学成分和硬度等理化检验分析。

（一）金相显微组织分析

1#和2#试样的金相显微组织明显不同，1#试样的组织为铁素体+珠光体+上贝氏体，2#试样的组织为回火索氏体。

（二）化学成分分析

对1#和2#试样进行化学成分分析，两个试样各种元素的含量差别很小，基本相同。

（三）理化检验综合分析

从冲击、金相、化学成分分析结果综合来看，1#试样的韧性差，硬度低；2#试样的韧性好，硬度也高。两者金相组织差别明显，1#为铁素体+珠光体+上贝氏体；2#为回火索氏体。而两者的化学成分几乎相同，说明样品均取自同一管段。为了查明试样性能差异大的原因，后续对钻杆的生产厂家进行了调研，了解了摩擦焊钻杆焊接和焊后热处理的过程。

三、摩擦焊钻杆的生产过程

摩擦焊钻杆是通过摩擦焊这种焊接方式，将钻杆杆体和接头等工件连接起来。第一阶段，由电动机带动接头旋转，当达到一定的转速时，施加压力p1把管体压向旋转的接头，使管体和接头紧密接触，发生摩擦。第二阶段，接触面继续相互摩擦并产生热量和一定的塑性变形。第三阶段，减速停止旋转，同时施加顶锻压力p2完成焊接。焊接过程结束后，会有多余的管体组织被挤压出接触面，形成毛刺，应趁毛刺还未冷却用焊机上的冲头将其冲除。摩擦焊焊接的原理是利用焊接接触面之间的相对运动，产生摩擦热和塑形变形，并使接触面周围区域温度上升至接近熔点，此时，材料的塑性提高，变形抗力降低，伴随塑性变形，管体和接头在压力的作用下，通过界面的再结晶和分子扩散而实现连接。

四、焊后热处理与钻杆性能的关系

（一）奥氏体化

摩擦焊焊接完成后，首先要采用中频感应加热对焊缝进行奥氏体化，这种加热方式的特点为加热速度快，且焊缝热影响区窄。由于是局部加热，在加热区两端边缘处必然有一段区域的温度较低，此区域的材料不能完全奥氏体化，却会使碳化物过分析出，形成大块的铁素体，甚至形成综合性能较差的上贝氏体，上贝氏体的渗碳体以片状分布在界面，很大程度降低了材料的塑性和韧性。因此这部分的组织会出现韧性差、硬度分布不均匀等现象。由于“集肤效应”，焊管外壁的温度要大于管子内部温度，因此管子内部温度会稍低于外壁，也有可能出现和区域1中奥氏体不完全、析出大量渗碳体等情况。结合前文对试样金相组织的分析，从1#试样的显微组织可以看出，其中含有大量铁素体和片状渗碳体形貌的上贝氏体，再结合对硬度值的分析，1#试样硬度值较低，且分布不均匀，其冲击功为12J，剪切断面率为5%，韧性非常差。

（二）淬火

钻杆焊缝淬火采用淬火液冷却方式，淬火后，组织转变为大量马氏体。淬火的具体转变过程为：奥氏体到达马氏体转变温度Ms时，马氏体转变开始，但在Ms以下某温度保持不变时，只有少量奥氏体转变。当温度进一步降低时，奥氏体由面心立方变成体心立方，碳原子来不及扩散，形成碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。到达马氏体转变结束温度后，试样会产生90%以上的马氏体组织。这种淬火过程也是一种连续冷却过程。在冷却过程中，奥氏体要通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变，即：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变等，然而冷却速度不同，发生的转变也不同，转变量也不同，得到的组织也不同。和奥氏体等温转变的C曲线一样，连续冷却转变也可以用热动力学曲线表示。奥氏体转变为马氏体的条件就是要冷却速度快，有足够的过冷度，这样溶解在奥氏体面心立方晶格里的碳原子来不及扩散，就被凝固在体心立方晶格里，形成马氏体[1]。

（三）高温回火

钻杆焊区经过淬火后，不仅内应力较大，而且过多马氏体会导致脆性增大，需采用中频感应加热进行高温回火。淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体，高温回火后将转化为性能良好的回火索氏体组织。高温回火的原理是利用中频感应加热方式，对淬火之后的区域升温至500~650℃，保温浸置一段时间后，析出一部分碳化物，并消除部分因急冷造成的残留应力，从而提高材料的韧性。高温回火以后的组织为回火索氏体，回火索氏体是铁素体基体内分布碳化物球粒的复合组织。此时的铁素体已无碳的过饱和度，碳化物也很稳定，常温下是一种平衡组织，可以阻止断裂过程中裂纹的扩展，因此其综合力学性能很好[2]。

结论

通过文章我们可以得出结论，首先，钻杆摩擦焊焊接区域在奥氏体化过程中，延长保温时间，做到均匀充分奥氏体化；其次，淬火过程中，适当减少淬火液浓度，提高冷却速度，使焊区获得均匀的马氏体组织；最后，高温回火时，考虑采用红外测温仪对回火温度进行控制，合理匹配加热参数，增大加热功率和涡流透入深度，实现透入式加热，使管体内外管壁充分回火，达到理想温度[3]。

参考文献：

[1]张海泉，张彦华，张行安，等.热处理工艺对惯性摩擦焊接头冲击韧性的影响[J].材料工程，2016（12）：26-28.

[2]朱海，郑海洋，郭艳玲.热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响[J].焊接学报，2018，29（12）：93-96.