焊后熱處理對摩擦焊鉆桿性能的影響

張華佳，李 娜，范 煒，任繼承，梁明華，張 華

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

焊后熱處理對摩擦焊鉆桿性能的影響

張華佳，李 娜，范 煒，任繼承，梁明華，張 華

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

為了提高摩擦焊鉆桿的性能及其在鉆井作業(yè)中的安全性，針對摩擦焊鉆桿沖擊試驗中個別試樣韌性極差的情況，通過金相、化學成分和硬度等理化檢驗分析，將焊接區(qū)域的組織特征和熱處理過程中的組織特征進行對比分析，得出了焊后熱處理工藝不當可導致管體局部產(chǎn)生異常組織、韌性變差的結(jié)論。最后給出了控制摩擦焊鉆桿焊接質(zhì)量的建議，即合理控制和優(yōu)化焊后熱處理過程中的保溫方式、保溫時間和冷卻速度等參數(shù)，有效避免了缺陷，提高了摩擦焊鉆桿的整體質(zhì)量。

焊接；摩擦焊接；鉆桿；熱處理；沖擊韌性

在鉆井作業(yè)過程中，鉆桿要承受彎、扭、壓、拉等各種復雜的載荷，因此服役的安全性尤為重要。摩擦焊鉆桿具有抗彎能力強、柔韌性好、耐磨等優(yōu)點，因而應用非常廣泛。摩擦焊鉆桿接頭與管體之間的焊接早期為電弧焊和閃光對焊，如今則逐步發(fā)展為連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接及慣性摩擦焊接，而生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量也隨焊接方法的改進而不斷提高。目前，慣性摩擦焊是最流行的一種鉆桿對焊方法。摩擦焊是通過摩擦熱和壓力使工件連接起來，因而在焊接完成以后的熱處理中，如果處理工藝不當，容易導致管體局部的韌性及塑性變差。在某管廠G105鉆桿焊區(qū)試樣的沖擊試驗檢測中，發(fā)現(xiàn)個別試樣韌性極差，為了找到相關(guān)原因，對其進行了一系列分析和探討，并提出了相關(guān)建議。

1 試驗中發(fā)現(xiàn)的問題

對某G105鉆桿的抽檢樣品進行沖擊試驗，試樣開V形坡口，尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為－60℃，試驗結(jié)果見表1，沖擊試樣斷口形貌如圖1所示。

表1 沖擊試驗結(jié)果

圖1 沖擊試樣斷口形貌

從表1可以看出，2#和3#試樣沖擊功基本相同，均在110～120 J范圍內(nèi)，而1#試樣的沖擊功明顯偏低，只有12 J。由圖1可見，1#試樣明顯為脆性斷口，剪切斷面率為5%，2#和3#試樣為韌性斷口，剪切斷面率均為100%。

由此可以看出，1#試樣的沖擊脆性和2#及3#試樣的沖擊韌性形成了鮮明的對比。

從試驗過程來看，3個試樣均取自同一根鉆桿的焊區(qū)附近，試驗溫度均為－60℃，試驗方法與試驗設(shè)備也相同，3個試樣按先后順序依次做完，時間間隔很短，且試樣編號一致，不存在與其他試樣錯混的因素，因此，試驗本身并無問題。

對樣品的機加工過程進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其取樣及制作均依照程序，并未出現(xiàn)混樣。試樣加工過程中有冷卻液，也未出現(xiàn)高溫過熱等影響，所以機加工環(huán)節(jié)并無問題。

2 理化檢驗分析

為了進一步查明樣品韌性差別大的原因，對試樣進行了金相、化學成分和硬度等理化檢驗分析。

2.1 金相顯微組織分析

1#和2#試樣的金相顯微組織如圖2所示。從圖2可以看出，兩者顯微組織明顯不同，1#試樣的組織為鐵素體+珠光體+上貝氏體，2#試樣的組織為回火索氏體。

圖2 1#和2#試樣的金相組織

2.2 化學成分分析

對1#和2#試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出，兩個試樣各種元素的含量差別很小，基本相同。

表2 試樣的化學成分 %

2.3 硬度分析

對1#和2#試樣進行洛氏硬度HRC檢測，結(jié)果見表3。

表3 試樣的洛氏硬度測試結(jié)果

從表3可以看出，兩個試樣的硬度值差別明顯，1#試樣的硬度值在16.6～25.3 HRC之間，且硬度值分布不均勻。而2#試樣的硬度值在31～33.9 HRC之間，明顯高于1#試樣，且分布較為均勻。

2.4 理化檢驗綜合分析

從沖擊、金相、化學成分及硬度的分析結(jié)果綜合來看，1#試樣的韌性差，硬度低；2#試樣的韌性好，硬度也高。兩者金相組織差別明顯，1#為鐵素體+珠光體+上貝氏體；2#為回火索氏體。而兩者的化學成分幾乎相同，說明樣品均取自同一管段。

為了查明試樣性能差異大的原因，后續(xù)對鉆桿的生產(chǎn)廠家進行了調(diào)研，了解了摩擦焊鉆桿焊接和焊后熱處理的過程。

3 摩擦焊鉆桿的生產(chǎn)過程

摩擦焊鉆桿是通過摩擦焊這種焊接方式，將鉆桿桿體和接頭等工件連接起來。焊接過程如圖3所示。第一階段，由電動機帶動接頭旋轉(zhuǎn)，當達到一定的轉(zhuǎn)速時，施加壓力p1把管體壓向旋轉(zhuǎn)的接頭，使管體和接頭緊密接觸，發(fā)生摩擦。第二階段，接觸面繼續(xù)相互摩擦并產(chǎn)生熱量和一定的塑性變形。第三階段，減速停止旋轉(zhuǎn)，同時施加頂鍛壓力p2完成焊接。焊接過程結(jié)束后，會有多余的管體組織被擠壓出接觸面，形成毛刺，應趁毛刺還未冷卻用焊機上的沖頭將其沖除[1]。

圖3 摩擦焊焊接過程

摩擦焊焊接的原理是利用焊接接觸面之間的相對運動，產(chǎn)生摩擦熱和塑形變形，并使接觸面周圍區(qū)域溫度上升至接近熔點，此時，材料的塑性提高，變形抗力降低，伴隨塑性變形，管體和接頭在壓力的作用下，通過界面的再結(jié)晶和分子擴散而實現(xiàn)連接[2]。

對摩擦焊鉆桿的焊接過程了解之后，推測問題可能出在焊接之后的熱處理過程中。

4 焊后熱處理與鉆桿性能的關(guān)系

鉆桿在摩擦焊接之后，需要對焊區(qū)進行“淬火+高溫回火”的熱處理，即通常說的調(diào)質(zhì)處理。具體過程為：①奧氏體化；②淬火；③高溫回火。

4.1 奧氏體化

摩擦焊焊接完成后，首先要采用中頻感應加熱對焊縫進行奧氏體化，這種加熱方式的特點為加熱速度快，且焊縫熱影響區(qū)窄。

鉆桿摩擦焊焊接區(qū)域剖面如圖4所示。由于是局部加熱，在加熱區(qū)兩端邊緣處（圖4中的區(qū)域1）必然有一段區(qū)域的溫度較低，此區(qū)域的材料不能完全奧氏體化，卻會使碳化物過分析出，形成大塊的鐵素體，甚至形成綜合性能較差的上貝氏體，上貝氏體的滲碳體以片狀分布在界面，很大程度降低了材料的塑性和韌性。因此這部分的組織會出現(xiàn)韌性差、硬度分布不均勻等現(xiàn)象。由于“集膚效應”，焊管外壁的溫度要大于管子內(nèi)部溫度，因此管子內(nèi)部（圖4中區(qū)域2）溫度會稍低于外壁（圖4中區(qū)域3），也有可能出現(xiàn)和區(qū)域1中奧氏體不完全、析出大量滲碳體等情況[3]。結(jié)合前文對試樣金相組織的分析，從1#試樣的顯微組織可以看出，其中含有大量鐵素體和片狀滲碳體形貌的上貝氏體，再結(jié)合對硬度值的分析，1#試樣硬度值較低，且分布不均勻，其沖擊功為12 J，剪切斷面率為5%，韌性非常差，因此推測1#試樣可能取自圖4中的區(qū)域1和區(qū)域2[4]。

4.2 淬火

鉆桿焊縫淬火采用高壓空氣吹冷方式，淬火后，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅狂R氏體。淬火的具體轉(zhuǎn)變過程為：奧氏體到達馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）時，馬氏體轉(zhuǎn)變開始，但在Ms以下某溫度保持不變時，只有少量奧氏體轉(zhuǎn)變。當溫度進一步降低時，奧氏體由面心立方變成體心立方，碳原子來不及擴散，形成碳在α-Fe中的過飽和間隙固溶體，即馬氏體。到達馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度后，試樣會產(chǎn)生90%以上的馬氏體組織[5]。

這種淬火過程也是一種連續(xù)冷卻過程。在冷卻過程中，奧氏體要通過各個轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，因此可能先后發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變，即：珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變等，然而冷卻速度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變也不同，轉(zhuǎn)變量也不同，得到的組織也不同。和奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的C曲線一樣，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變也可以用熱動力學曲線（連續(xù)冷卻C曲線）表示，即 CCT（continuous cooling transformation）曲線，如圖5所示。

奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的條件就是要冷卻速度快，有足夠的過冷度，這樣溶解在奧氏體面心立方晶格里的碳原子來不及擴散，就被凝固在體心立方晶格里，形成馬氏體。從CCT曲線來看，當冷卻速度v>va時，冷卻曲線不與珠光體轉(zhuǎn)變開始線相交，而進入馬氏體區(qū)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。va是奧氏體不發(fā)生分解而全部過冷到馬氏體區(qū)的最小冷卻速度，即“淬火臨界冷速”[6]。

圖5 連續(xù)冷卻C曲線

而如果奧氏體淬火不充分，局部冷卻速度較慢，沒有達到足夠過冷度的話，碳原子會發(fā)生擴散，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體+滲碳體等不均勻組織，從CCT曲線來看，當冷卻速度v

4.3 高溫回火

鉆桿焊區(qū)經(jīng)過淬火后，不僅內(nèi)應力較大，而且過多馬氏體會導致脆性增大，需采用中頻感應加熱進行高溫回火。淬火后的組織為馬氏體和少量殘余奧氏體，高溫回火后將轉(zhuǎn)化為性能良好的回火索氏體組織。

高溫回火的原理是利用中頻感應加熱方式，對淬火之后的區(qū)域升溫至500～650℃，保溫浸置一段時間后，析出一部分碳化物，并消除部分因急冷造成的殘留應力，從而提高材料的韌性。高溫回火以后的組織為回火索氏體，回火索氏體是鐵素體基體內(nèi)分布碳化物球粒的復合組織。此時的鐵素體已無碳的過飽和度，碳化物也很穩(wěn)定，常溫下是一種平衡組織，可以阻止斷裂過程中裂紋的擴展，因此其綜合力學性能很好[9]。

由前文可以看到，2#試樣的顯微組織為回火索氏體，其沖擊功為119 J，和3#試樣的113 J很接近，且硬度值均勻，說明其韌性良好，符合使用要求。圖4中區(qū)域3是馬氏體化和高溫回火較充分的區(qū)域，因此，2#試樣應取自圖4的區(qū)域3。

高溫回火過程中，溫度是很關(guān)鍵的因素，如果溫度控制不好，馬氏體就不能完全轉(zhuǎn)變。在300℃附近回火時，容易析出大量板狀碳化物，出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，即通常所說的回火脆性。由于采用中頻感應加熱對焊區(qū)進行高溫回火，因此試樣也難以避免“集膚效應”，即焊管外壁溫度要高于內(nèi)部溫度，管體內(nèi)壁的溫度稍低。如果管體內(nèi)壁不能達到500～650℃的理想溫度，局部區(qū)域降低至300℃時，內(nèi)壁就有可能出現(xiàn)回火脆性，從1#試樣含有大量的滲碳體這一角度分析，1#試樣也可能取自管體內(nèi)壁（圖4區(qū)域2）[10]。

回火過程控制中還應注意，回火覆蓋范圍不能太窄，否則回火不充分，會造成馬氏體剩余過多，導致管體局部脆性過大?；鼗饻囟群突鼗饡r間要把握好，溫度盡量控制在500～650℃，如果溫度過高，時間過長，則會導致回火索氏體重新分解，即過回火現(xiàn)象[11]。

5 建 議

（1）鉆桿摩擦焊焊接區(qū)域在奧氏體化過程中，加熱圈適當移動，延長保溫時間，做到均勻充分奧氏體化。

（2）淬火過程中，加大氣流量，提高冷卻速度，使焊區(qū)獲得均勻的馬氏體組織。

（3）高溫回火時，考慮采用紅外測溫儀對回火溫度進行控制，合理匹配加熱參數(shù)，增大加熱功率和渦流透入深度，實現(xiàn)透入式加熱，使管體內(nèi)外管壁充分回火，達到理想溫度。

[1]朱世忠.石油鉆桿的摩擦焊接和焊縫熱處理工藝研究[J].寶鋼技術(shù)，2016（1）：52-55.

[2]朱海，鄭海洋，郭艷玲.熱處理工藝對摩擦焊接鉆桿力學性能的影響[J].焊接學報，2008，29（12）：93-96.

[3]楊勇平，孫家棟.石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接研究[J].裝備制造技術(shù)，2006（6）： 13-15.

[4]張海泉，張彥華，張行安，等.熱處理工藝對慣性摩擦焊接頭沖擊韌性的影響[J].材料工程，2000（12）：26-28.

[5]張玉英，王永宏，巴魯軍.鉆桿摩擦焊接及熱處理工藝分析[J].石油礦場機械，2005，34（1）： 72-73.

[6]雷玉成，陳希章，朱強.金屬材料焊接工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[7]許翠華，田東莊，董萌萌，等.回火溫度對摩擦焊焊區(qū)力學性能的影響[J].焊接， 2013（6）： 60-63.

[8]張毅，趙仁存，張汝忻.國內(nèi)外高強度鉆桿的質(zhì)量評述[J].鋼管，2000，29（5）： 1-8.

[9]李炯輝，林德成，丁惠麟，等.金屬材料金相圖譜（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：461，538.

[10]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001：22-50.

[11]齊秀濱，劉娟，周軍，等.摩擦焊在我國石油鉆桿制造中的應用[J].電焊機， 2010， 40（6）： 10-13.

Effect of the Post-weld Heat Treatment on Friction Welding Drill Pipe Properties

ZHANG Huajia,LI Na,FAN Wei,REN Jicheng,LIANG Minghua,ZHANG Hua
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

In order to enhance the performance of friction welding drill pipe and its security in drilling operation,according to poor toughness of individual specimen in friction welding drill pipe,through physical and chemical inspection analysis,such as metallographic test,chemical composition,hardness and so on,the structure characteristics of welding area and heat treatment process were conducted contrastive analysis,a conclusion was

that the improper heat treatment after welding can cause abnormal structure of part pipe body and inferior toughness.Finally it put forward suggestions of controlling friction welding drill pipe welding quality,including reasonable control and optimization heat preservation mode in heat treatment process,heat preservation time and cooling speed,and so on,which effectively avoided defects and improved the overall quality of friction welding drill pipe.

welding;friction welding;drill pipe;heat treatment;impact toughness

TG441.8

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.009

張華佳（1984—），男，漢族，河北省保定市人，工程師，畢業(yè)于中國石油大學（北京）材料學專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事石油管檢測及研發(fā)工作。

2015-12-02

謝淑霞