专利名称：一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝的制作方法
技术领域：
本发明属于材料加工焊接材料领域，具体涉及一种用于堆焊钻杆接头耐磨带药芯焊丝。
背景技术：
随着现代钻井技术的发展，超深井、大斜度井、大位移井大量出现，带来了钻井时间延长、钻杆作用在套管上侧向力增高等一系列问题，使的钻杆与套管的磨损这一问题越来越突出。钻杆接头耐磨带的出现，对解决这一问题起到了关键性的作用。钻杆接头耐磨带有着优于接头本身的耐磨性能，同时能够降低对套管的磨损，因而耐磨带技术在钻井中得到越来越多的应用，并且成为国际重大石油勘采项目招标时，要求投标方中标必备的技术条件之一。目前，广泛使用的耐磨带堆焊药芯焊丝主要是以高铬铁基合金为主的药芯焊丝， 这类堆焊材料通过加入大量的铬元素形成碳化物硬质相来提高耐磨带耐磨性，然而在焊接过程中却不可避免的出现裂纹，可能导致钻杆耐磨带的失效，与此同时，药芯焊丝中铬元素的加入，使得焊接过程中会产生大量的烟尘和有毒气体，对环境产生污染。因此，以硼、铌元素代替铬元素来强化基体，从而提高耐磨带的耐磨性，适应了环境可持续发展的环保理念。
发明内容
本发明的目的在于解决当前堆焊材料出现的抗裂性不足的问题，同时减少现有焊接材料在使用过程中对环境的污染问题，提供一种不含铬元素的钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝。本发明所提供的钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带(优选SPCC 碳钢钢带)包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35%，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质硼铁=15-27% ;钛粉0. 6-2. 3% ;铌铁8. 5-18. 5% ;镍粉4. 5-7. 5% ;电解锰粉4-6% ;硅铁4-18% ;石墨2. 5-7%，余量为还原铁粉。本发明钻杆耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤I、将轧钢带成U形槽，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重20-35%的药芯粉末；2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到I. 6mm，得到最终产品。采用上述的药芯焊丝制备一种含弥散分布NbC、Fe2B硬质相的铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤(I)按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为I. 6mm的药芯焊丝；(2)采用二氧化碳气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为电压 26-29V ;电流260-290A ;送丝速度430-460mm/min ;气体流速:18_23L/min ;焊丝伸出导电嘴的长度14-28mm。
所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C :0. 3-1.0% ；B O. 5-1. 2% ；Ti 0. 1-0. 6% ；Nb :1. 0-2. 0% ；Ni :0. 8-1. 3% ；Mn :0. 6-1. 2% ；Si :0. 3-1. 3% ；
Fe :余量。优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为硼铁17-26% ;钛粉0. 8-2. 2% ； 铌铁10-18% ;镍粉5-7% ;电解锰粉4. 5-5.8% ;硅铁6_17% ;石墨3. 5-6. 5%，余量为还原铁粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C :0. 5-0. 9% ； B 0. 7-1. 16 % ；Ti 0. 2-0. 55 % ；Nb :1. 5-1. 9 % ；Ni :0. 85-1. 25 % ；Mn :0. 7-1. 15 % ；Si 0. 5-1. 24% ；Fe :余量。进一步优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为硼铁17. 5-25% ;钛粉0· 85-2% ;铌铁12-16% ;镍粉5. 5-6. 5 % ;电解锰粉4. 8-5. 5 % ;硅铁7_16% ;石墨4-5. 5%，余量为还原铁粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C 0. 54-0. 85 % ；B 0. 75-1 % ；Ti :0. 25-0. 5 % ；Nb :1. 55-1. 7 % ；Ni :0. 9-1. 16 % ；Mn 0. 8-1. 0% ；Si 0. 6-1. 1% ；Fe :余量。其中各种粉作用如下硼铁向焊缝金属过渡硼元素，主要是为了获得高硬度的硼化物，从而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度及相对耐磨性随着硼含量的增加而提高，但硼含量过高易引起 “硼脆”，降低合金耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中B含量为O. 5-1. 2wt. %，对应药芯焊丝中加入的硼铁含量为15-27wt. %。钛粉减少氧化，提高元素过渡系数，细化晶粒，提高韧性。铌铁向焊缝金属过渡铌元素，形成的NbC相具有高硬度、高模量、较高抗弯强度， 低摩擦系数，能有效细化晶粒等特点，是钻杆工况下一种理想的硬质相，但铌含量过高会导致基体中相对碳含量减少，降低了堆焊合金的硬度及耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中 Nb含量为I. 0-2. Owt. %，对应药芯焊丝中加入的铌铁含量为8. 5-18. 5wt. %。镍粉考虑到B元素可能带来的淬硬性，通过加入适量镍粉过渡Ni元素，增强耐磨带基体的韧性与强度。电解锰粉、硅铁利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。还原铁粉填补余量。钻杆耐磨带堆焊合金采用二氧化碳气体保护焊工艺制备，根据不同壁厚的钻杆要求，焊接电流选择260-290A ;电压26-29V ;送丝速度430-460mm/min ;气体流速18_23L/ min ;焊丝伸出导电嘴的长度14-28mm。采用这一工艺参数能够制备出符合钻杆工况要求的耐磨带堆焊合金层。与现有材料相比，本发明的优点是I、放弃铬元素的使用，减少了对环境的污染，是一种环境友好型焊接材料。2、采用本发明药芯焊丝堆焊的合金组织晶粒细小，形成的NbC硬质相和细小的 Fe2B硬质相弥散的分布在基体上，从而保证了高耐磨兼高抗裂性的综合性能。3、堆焊工艺性好无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后耐磨带不出现裂纹，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成形美观。
图I :本发明钻杆接头耐磨带堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图；图2 :实施例3中堆焊熔敷金属EBSD图；图3 实施例3堆焊熔敷金属XRD图。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。各实施例中相同部分如下所述I、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12X0. 3mm(宽度为12臟，厚度为O. 3mm) 的SPCC碳钢钢带，药芯焊丝药芯成分在实施例中具体说明，所选粉末分别过60目筛子，将所选各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，将 U形槽合口，使药粉包裹其中。然后分别经过直径为3. 0mm、2. 8mm、2. 6mm、2. 4mm、2. 2mm、
2.0mm、I. 8mm、I. 6mm的拉丝模,逐道拉拔、减径,最后使其直径达到I. 6mm,得到钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝。2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为电压26_29V ；电流260_290A ;送丝速度430-460mm/min ;气体流速18_23L/min ;焊丝伸出导电嘴的长度14-28mm。实施例I取硼铁I. 5千克、钛粉O. 06千克、铌铁O. 85千克、镍粉O. 45千克、电解锰粉O. 4 千克、硅铁O. 4千克、石墨O. 25千克，还原铁粉6. 09千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为20 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C 0. 3wt. % ；B 0. 5wt. % ；Ti 0. lwt. % ；Nb 1. Owt. % ；Ni :0. 8wt. % ；Mn :0. 6wt. % ；Si :0. 3wt. % ；Fe :余量。实施例2取硼铁I. 7千克、钛粉O. 08千克、铌铁I. O千克、镍粉O. 5千克、电解锰粉O. 45 千克、硅铁O. 6千克、石墨O. 35千克，还原铁粉5. 32千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为23 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C 0. 5wt. % ；B 0. 7wt. % ；Ti 0. 2wt. % ；Nb 1. 5wt. % ；Ni :0. 85wt. % ；Mn :0. 7wt. % ；Si :0. 5wt. % ；Fe :余量。实施例3取硼铁I. 75千克、钛粉O. 085千克、铌铁I. 2千克、镍粉O. 55千克、电解锰粉O. 48 千克、硅铁O. 7千克、石墨O. 4千克，还原铁粉4. 835千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为25 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C 0. 54wt. % ；B 0. 75wt. % ；Ti 0. 25wt. % ；Nb 1. 55wt. % ；Ni :0. 9wt. % ；Mn :0. 8wt. % ；Si :0. 6wt. % ；Fe :余量。所得堆焊熔敷金属EBSD图见图2，XRD图见图3。实施例4取硼铁2. 5千克、钛粉O. 2千克、铌铁I. 6千克、镍粉O. 65千克、电解锰粉O. 55千克、硅铁I. 6千克、石墨O. 55千克，还原铁粉2. 35千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为28 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C:0.85wt. % ；B 1. Owt. % ；Ti 0. 5wt. % ；Nb 1. 7wt. % ；Ni :1. 16wt. % ；Mn :1. Owt. % ；Si :1. lwt. % ；Fe :余量。实施例5取硼铁2. 6千克、钛粉O. 22千克、铌铁I. 8千克、镍粉O. 7千克、电解锰粉O. 58千克、硅铁I. 7千克、石墨O. 65千克，还原铁粉I. 75千克。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C:0. 9wt. % ；B 1. 16wt. % ；Ti 0. 55wt. % ；Nb 1. 9wt. % ；Ni :1. 25wt. % ；Mn :1. 15wt. % ；Si :1. 24wt. % ；Fe :余量。实施例6取硼铁2. 7千克、钛粉O. 23千克、铌铁I. 85千克、镍粉O. 75千克、电解锰粉O. 6千克、硅铁I. 8千克、石墨O. 7千克，还原铁粉I. 73千克，将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35 %，将U形槽合口，得到直径为I. 6mm的钻杆耐磨带堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为C :1. Owt. % ；B 1. 2wt. % ；Ti 0. 6wt. % ； Nb 2. Owt. % ；Ni 1. 3wt. % ；Mn :1. 2wt. % ；Si :1. 3wt. % ；Fe :余量。对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、耐磨损实验、抗裂性实验，测试结果如下表I所示。采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔敷金属取十点打硬度， 最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。耐磨性实验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。磨损试样尺寸为 57X25. 5 X 6mm，试验参数如下橡胶轮转速240r/min ;橡胶轮直径178mm ;橡胶轮硬度 60 (邵尔硬度)；载荷IOON ;橡胶轮转数预磨1000转、精磨4000转、磨料粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。实验用Q36CrNiMo4钢作为对比，对比件失重
量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。=抗裂性试验时，在保证焊前不预热，焊后不进行热处理的前提下，在未经过堆焊的石油钻杆接头上连续堆焊3层，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术显示焊道上的裂纹情况。表I实施例1-6熔敷金属的硬度、相对耐磨性和抗裂性
\ 性會 实施例\硬度值(HRC)相对耐磨性 (f )抗裂性I54. 46. 98耐磨带无裂纹261. I7. 43耐磨带无裂纹360. 27. 62耐磨带无裂纹458. O7. 64耐磨带无裂纹555. 57. 32耐磨带无裂纹654. 26. 95耐磨带无裂纹
权利要求
1.一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35%，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质硼铁 15-27% ;钛粉0. 6-2. 3% ;铌铁8. 5-18. 5% ;镍粉4. 5-7. 5% ;电解锰粉4~6% ;硅铁 4-18% ;石墨2. 5-7%，余量为还原铁粉。
2.按照权利要求I的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝外皮所用带材为SPCC碳钢钢带。
3.按照权利要求I或2的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，药芯成分质量百分含量为硼铁17-26% ;钛粉0. 8-2. 2% ;铌铁10-18% ;镍粉5-7% ;电解锰粉4. 5-5. 8% ;硅铁6-17% ;石墨3. 5-6. 5%，余量为还原铁粉。
4.按照权利要求3的一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，其特征在于，硼铁 17. 5-25% ;钛粉0. 85-2% ;铌铁:12-16% ;镍粉5. 5-6. 5% ;电解锰粉4. 8-5. 5% ;硅铁 7-16% ;石墨4-5. 5%，余量为还原铁粉。
5.采用权利要求I的药芯焊丝制备一种含弥散分布NbC、Fe2B硬质相的铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为I.6mm的药芯焊丝；(2)采用二氧化碳气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为电压26-29V;电流260-290A ;送丝速度430-460mm/min ;气体流速18-23L/min ;焊丝伸出导电嘴的长度14_28mm。
6.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C 0. 3-1. O % ；B 0. 5-1. 2% ；Ti :0. 1-0. 6% ；Nb I. 0-2. 0% ；Ni 0. 8-1. 3% ；Mn :0. 6-1. 2% ；Si :0. 3-1. 3% ；Fe :余量。
7.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C 0. 5-0. 9 % ；B 0. 7-1. 16% ；Ti :0. 2-0. 55% ；Nb I. 5-1. 9% ；Ni 0. 85-1. 25% ；Mn :0. 7-1. 15% ；Si :0. 5-1. 24% ；Fe :余量。
8.采用权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内C 0. 54-0. 85% ；B 0. 75-1% ；Ti :0. 25-0. 5 % ；Nb 1.55-1. 7% ；Ni 0. 9-1. 16% ；Mn :0. 8-1. 0% ；Si :0. 6-1. 1% ；Fe :余量。
全文摘要
一种钻杆接头耐磨带用铁基堆焊药芯焊丝，属于材料加工焊接材料领域。采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20-35％，药芯粉末包括以下质量百分含量的物质硼铁15-27％；钛粉0.6-2.3％；铌铁8.5-18.5％；镍粉4.5-7.5％；电解锰粉4-6％；硅铁4-18％；石墨2.5-7％，余量为铁粉。堆焊工艺参数设定为电压26-29V；电流260-290A；送丝速度430-460mm/min；气体流速18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度14-28mm。本发明不含铬元素，是一种环境友好型焊接材料；具有高耐磨兼高抗裂性的综合性能；堆焊工艺性好，焊缝成形美观。
文档编号B23K35/30GK102581515SQ20121007175
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者刘希学, 周正, 崔丽, 李晓延, 王智慧, 蒋建敏, 贺定勇 申请人:北京工业大学