[發(fā)明專利]高氮奧氏體不銹鋼和無磁鉆鋌的軸向摩擦焊接工藝方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810746344.5
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108907447A
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦國梁;楊帆;李長安
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;C22C38/58;C22C38/42;C22C38/44;C22C38/46;C22C38/02;C22C38/06;B23K101/04
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 王志坤

本發(fā)明涉及高氮奧氏體不銹鋼和無磁鉆鋌的軸向摩擦焊接工藝方法，屬于油氣鉆井工具的制備領(lǐng)域。所述應(yīng)用為：將材質(zhì)為高氮奧氏體不銹鋼的工件夾裝到摩擦焊機中后對旋轉(zhuǎn)端和移動端的夾具中的工件進行焊接，焊接開始時，移動端的工件向旋轉(zhuǎn)端的工件移動，此時旋轉(zhuǎn)端工件開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)端工件與移動端工件接觸后在摩擦壓力的作用下開始摩擦產(chǎn)熱，當摩擦變形量達到設(shè)定值時，旋轉(zhuǎn)停止，頂鍛開始，沿著工件的軸向?qū)ぜ┘禹斿憠毫Σ⒈海遁d頂鍛壓力后取出工件，即得無磁鉆鋌。本發(fā)明提出以軸向摩擦焊接的方法對無磁鉆鋌進行加工及修復(fù)，以改善現(xiàn)有加工方法的材料浪費、成本較高、生產(chǎn)效率較低的問題，并克服了失效鉆鋌難以修復(fù)的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于軸向摩擦焊接工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及利用連續(xù)驅(qū)動軸向摩擦焊接工藝和慣性軸向摩擦焊接工藝實現(xiàn)高氮奧氏體不銹鋼焊接和油氣資源勘探開發(fā)及地質(zhì)勘探用的無磁鉆鋌的焊接和修復(fù)方法。

背景技術(shù)

在石油和天然氣深度鉆采過程中，無磁鉆鋌是鉆柱最重要組成部分，其位于鉆柱下方，具有向鉆頭提供鉆進壓力、提高鉆柱剛度和確保隨鉆測量裝置的測量精度等作用(如說明書附圖1所示)。深度較大的油氣井在鉆探過程中為確保鉆采精度，都配備了隨鉆測量裝置，其在鉆探過程中通過感應(yīng)井眼中的大地磁場，來對其垂直度進行修正，確保豎井鉆探過程中方向的準確性。隨鉆測量裝置必須在無磁的環(huán)境下工作以防止鉆探過程中除地磁場外的其他磁場對隨鉆測量裝置的干擾，因此鉆柱下所連接的鉆鋌需具有較低的磁導率，較高的強度及耐蝕性。

無磁鉆鋌所用材料經(jīng)歷了AISI-300系不銹鋼、耐蝕合金、氮合金化不銹鋼三個階段，最初為AISI-300系不銹鋼，這類材料易制備且成本較低，在服役條件良好的情況下，尚可滿足要求，但隨著我國高含硫探井的大量開發(fā)及鉆采深度的增加，其耐腐蝕性能、力學性能等已無法滿足要求。采用鈹銅合金及Monel合金制造的無磁鉆鋌基本可以滿足其性能要求，但由于價格昂貴，現(xiàn)已被高氮奧氏體不銹鋼所替代。目前，研究人員主要采用手工電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)、熔化極氣體保護焊(GMAW)、激光焊等方法對這類不銹鋼進行焊接。但采用手工電弧焊時，由于高氮奧氏體不銹鋼的熱導率較小，線膨脹系數(shù)較大，焊后易產(chǎn)生較大變形。鎢極氬弧焊的焊接效率較低，焊接成本太高，而且易產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象。熔化極氣體保護焊(GMAW)在焊接的過程中易產(chǎn)生氣孔及飛濺等缺陷。激光焊接的成本較高，且要求焊件裝配精度較高。以上焊接方法均屬熔焊工藝，使用熔焊工藝焊接高氮奧氏體不銹鋼時通常存在以下問題：熔焊的熱輸入較大，在材料凝固的過程中易發(fā)生相變，從而使焊接接頭處的磁導率發(fā)生變化；焊縫氮元素易流失，熔合區(qū)易產(chǎn)生氮氣孔；碳化物、氮化物易析出，降低了焊接接頭的耐蝕性；且易產(chǎn)生焊接熱裂紋等問題。

目前，無磁鉆鋌的主要加工方式為熱軋和整體機加工，該加工方式可使無磁鉆鋌具有與母材相同的力學性能及耐腐蝕性能，同時加工過程中材料不發(fā)生相變，其磁導率始終保持較低水平，特別是對于一些不等直徑的無磁鉆鋌制造來說，整體切削加工浪費大量材料，材料的利用率及生產(chǎn)效率較低，無磁鉆鋌的制造成本大幅增加，且當無磁鉆鋌斷裂失效時，只能進行報廢，無法修復(fù)。

可以看出，現(xiàn)有的高氮奧氏體不銹鋼焊接工藝如手工電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、激光焊等方法在制造和修復(fù)無磁鉆鋌應(yīng)用中仍然存在很大的問題，甚至不宜直接用來制備無磁鉆鋌，但整體切削制備無磁鉆鋌的方法也存在利用率低、生產(chǎn)效率較低、制備成本高、失效鉆鋌難以修復(fù)等問題，因此，有必要研究一種新的不等直徑無磁鉆鋌的制備及修復(fù)方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明旨在提供軸向摩擦焊接工藝實現(xiàn)高氮奧氏體不銹鋼的焊接及實現(xiàn)高氮奧氏體不銹鋼材質(zhì)的無磁鉆鋌的焊接制造和修復(fù)。本發(fā)明提出以軸向摩擦焊接工藝和慣性軸向摩擦焊接工藝對無磁鉆鋌進行加工及修復(fù)的方法，以改善現(xiàn)有加工方法的材料浪費、成本較高、生產(chǎn)效率較低的問題，并克服了失效鉆鋌難以修復(fù)的問題。本發(fā)明首次提出采用軸向摩擦焊接的方式生產(chǎn)及修復(fù)無磁鉆鋌，同時也是首次采用該工藝方法對高氮奧氏體不銹鋼進行焊接，并且制備的無磁鉆鋌的力學性能完全滿足美國石油協(xié)會(API)的要求。