本發(fā)明涉及鉆探用鉆桿材料技術領域，特別涉及一種高強韌性鈦合金鉆桿料的摩擦焊方法。

背景技術：

在油井管產品中，由于鉆桿要直接承受鉆井作業(yè)過程中復雜的彎扭壓拉組合載荷，其油田服役的安全性顯得至關重要。根據油田的使用經驗，鉆桿的失效主要體現在焊縫及內加厚過渡帶兩個部位。摩擦焊接被認為是石油鉆桿管體與鉆桿接頭連接的最可靠的方法。研究開發(fā)適合鈦合金鉆桿產品的焊接工藝顯得至關重要。焊接接頭存在強韌性能較低的問題，目前最常用的解決方法是進行焊后熱處理消除焊接殘余應力，提高接頭的強韌性指標。目前國內尚沒有成熟鈦合金鉆桿產品的焊接及焊后熱處理工藝。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種石油鉆桿管體與鉆桿接頭連接的高強韌性鈦合金鉆桿料的摩擦焊方法實現鉆桿管體的連接。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種高強韌性鈦合金鉆桿的摩擦焊方法，采用的鈦合金鉆桿成分重量百分比為：al：5～7、nb：2.0～3.0、zr：0.5～2.0、mo：0.7-1.2、fe：0.02-0.05、si：0.01-0.03、ti：余量，利用上述組合物的鈦合金鉆桿摩擦焊方法是：步驟一，接頭轉動；步驟二，施加壓力；步驟三，摩擦焊接；步驟四，焊縫感應熱處理。

所述接頭轉動：自動焊接機夾牢接頭后轉動，轉速280～320r/min；所述施加壓力：焊接頂鍛力為400～600n；所述摩擦焊接：控制縮短量為0.7～0.9in；所述焊縫感應熱處理：950～970℃正火，時間20min。

所述摩擦焊為鉆桿管體與鉆桿接頭的焊接，摩擦焊接時鉆桿管體固定，接頭移動。

所述鉆桿管體與鉆桿接頭連接的摩擦焊是鉆桿接頭與墩粗的鉆桿管體摩擦焊。

摩擦焊接后進行表面加工。

所述表面加工為使用車刀車掉焊接產生的飛邊。

把焊縫外徑加工至管體外徑大小，同時清理內表面飛邊。

本發(fā)明的有益效果是：該鈦合金鉆桿料摩擦焊后其綜合性能可以滿足：抗拉強度大于900mpa，屈服強度大于800mpa；焊縫在21℃下10mm×10mm的縱向沖擊功可以達到36j以上；焊縫硬度小于32hrc；可在h2s分壓：5mpa，co2分壓：11mpa，nacl濃度：100000ppmcl，單質硫：3g/l的苛刻腐蝕環(huán)境中使用，表現出的抗硫化氫應力腐蝕的能力遠高于普通api鉆桿，可以做為替代碳鋼在油氣開采應用的最佳材料，滿足腐蝕環(huán)境的油田需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鈦合金鉆桿金相組織示意圖；

圖2為本發(fā)明鈦合金鉆桿摩擦焊熱處理態(tài)金相組織示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明，但并不局限于對本發(fā)明保護范圍的限制。

一種高強韌性鈦合金鉆桿的摩擦焊方法，其中采用的鈦合金鉆桿成分重量百分比為：al：5～7、nb：2.0～3.0、zr：0.5～2.0、mo：0.7-1.2、fe：0.02-0.05、si：0.01-0.03、ti：余量。步驟如下：

(1)接頭轉動：自動焊接機夾牢接頭后轉動，轉速280～320r/min；

(2)施加壓力：焊接頂鍛力為400～600n；

(3)摩擦焊接：控制縮短量為0.7～0.9in；

(4)熱處理：950～970℃正火，時間20min。

以下是本發(fā)明的高強韌性鈦合金鉆桿的化學成分的作用及其具體說明：

al：5～7％

在α相穩(wěn)定元素中，al是最重要的合金化元素。al除了將α相區(qū)擴展到更高溫度以外，還是在提高鈦合金的強度中發(fā)揮重要作用的元素。提高al含量，可以得到組織以韌性較好的等軸α相和網籃狀富α的β相為主的近α鈦合金，提高材料的韌性，所宜采用含鋁量5～7％。

nb：2.0～3.0％

β相穩(wěn)定元素。

zr：0.5-2％

通過zr的固溶強化作用有助于鈦合金的強化，添加zr，還可以使鈦合金表面形成牢固的zr氧化物，抑制合金內部的氧化，能夠防止高溫變形中產生裂紋。zr在0.5％以上時效果大，在超過2.0％時，氧化抑制效果達到飽和，因此，適宜的zr含量在0.5-2％。

mo：0.7-1.2％

mo穩(wěn)定β相，是降低β轉變溫度的一個因素，大大改善合金的抗氧化性能和抗腐蝕性能。

fe：0.02-0.05％

提高強度，同時也是一種穩(wěn)定β相的元素，可降低β轉變溫度，穩(wěn)定α+β區(qū)域，改善延展性的成分。

si：0.01-0.03％

si可以起到固溶強化的作用。

本發(fā)明高強韌性鈦合金鉆桿的摩擦焊方法是按照以下步驟進行的：

管體加持：采用三輥加持的方式固定管體，保證管體在焊接過程中不移動，管體由支架自動對中，調整位置至工作距離。

接頭轉動：自動焊接機夾牢接頭，移動焊機使接頭至管體旁，調整對中。調整后接頭退到指定位置，啟動機器使接頭轉動，轉速設置為280～320r/min之間；

施加壓力：由焊機自動移動接頭位置靠近并旋轉接觸管體，此時焊接頂鍛力設置為400～600n；

摩擦焊接：接頭與管體高速接觸，產生摩擦并發(fā)熱，控制焊機控制接頭的位移縮短量在0.7～0.9in之間，到位后停止接頭旋轉，焊接完成。

表面加工：焊接后使用車刀車掉焊接產生的飛邊，并把焊縫外徑加工至管體外徑大小，同時清理內表面飛邊。

熱處理：加工后的焊縫部位采用感應線圈進行加熱，加熱制度為950～970℃正火，時間20min。

以下通過實施例加以說明：

實施例1

接頭轉動：轉速設置為280r/min；

施加壓力：頂鍛力設置為400n；

摩擦焊接：位移縮短量0.7in；

熱處理：加熱制度為950℃正火，時間20min。

該實施例得到的鈦合金管可以達到以下指標：

屈服強度830mpa；抗拉強度908mpa；延伸率17％；沖擊功49j；硬度30.1hrc。

實施例2

接頭轉動：轉速設置為320r/min；

施加壓力：頂鍛力設置為600n；

摩擦焊接：位移縮短量0.9in；

熱處理：加熱制度為900℃正火，時間20min。

該實施例得到的鈦合金管可以達到以下指標：

屈服強度851mpa；抗拉強度915mpa；延伸率19％；沖擊功42j；硬度30.7hrc。

對比例1

接頭轉動：轉速設置為580r/min；

施加壓力：頂鍛力設置為1150n；

摩擦焊接：位移縮短量3.1in；

熱處理：加熱制度為950℃×20min水淬+650℃×30min回火。

該實施例得到的鈦合金管可以達到以下指標：

屈服強度991mpa；抗拉強度1057mpa；延伸率4％；沖擊功16j；硬度36.0hrc。

表1為本發(fā)明實例與對比例力學性能的比較。可以看出本發(fā)明實例鈦合金鉆桿摩擦焊工藝與其他工藝相比，強韌性都能得到大幅度改善。本發(fā)明的鈦合金鉆桿料摩擦焊、熱處理后，經力學性能測試符合110ksi鉆桿要求。

表1

硫化氫應力腐蝕性能

腐蝕掛片測試實驗溫度160℃，h2s分壓5mpa，co2分壓11mpa，nacl濃度100000ppmcl，加入單質硫3g/l，ph值為3，轉速均為3m/s。進行168小時腐蝕試驗后，計算腐蝕速率為0.0039～0.0042mm/a。

以上腐蝕試驗表明本發(fā)明實例鈦合金管具有良好的抗co2、h2s應力腐蝕性能。

圖1所示為本發(fā)明鈦合金鉆桿金相組織示意圖，圖2所示為本發(fā)明鈦合金鉆桿摩擦焊熱處理態(tài)金相組織示意圖。該鈦合金鉆桿所耐受的腐蝕環(huán)境的條件為h2s分壓：5mpa，co2分壓：11mpa，nacl濃度：100000ppmcl，單質硫：3g/l。