電阻釬焊在石油鉆頭焊接中的應(yīng)用

楊鴻強(qiáng)

（廈門(mén)金龍汽車(chē)車(chē)身有限公司，福建廈門(mén)361023）

0 前言

隨著冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展以及新材料的陸續(xù)出現(xiàn)，不同材質(zhì)的材料焊接需求越來(lái)越多。為保證工件焊接質(zhì)量，需要嘗試新的焊接工藝。本研究重點(diǎn)對(duì)電阻釬焊在石油鉆頭焊接中的應(yīng)用展開(kāi)探討與分析。

1 原理及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 研究背景

由于硬質(zhì)合金材質(zhì)脆硬、韌性差且代價(jià)高，導(dǎo)致其難以制成大尺寸的圓形鉆頭，而硬質(zhì)合金與鋼體材質(zhì)的焊接是補(bǔ)充其應(yīng)用缺陷的重要方式。傳統(tǒng)焊接工藝采用弧焊方法將硬質(zhì)合金刀片（YG8）與鋼材（42CrMo）定位，然后用火焰釬焊將刀片與鋼材焊接牢固，如圖1所示。

圖1 弧焊方法焊接硬質(zhì)合金（YG8）與鋼材（42CrMo）

上述方法存在的問(wèn)題是：①采用弧焊方法，對(duì)硬質(zhì)合金刀片損傷特別大；②硬質(zhì)合金（YG8）與鋼材（42CrMo）的焊接特性差異太大，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度很低，在進(jìn)行二次火焰釬焊前很容易脫落，起不到定位作用。

1.2 焊接材料分析

42CrMo鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼，有較高的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力。

YG8硬質(zhì)合金是以高硬度的難熔碳化物WC為基，加入結(jié)劑金屬鈷Co，通過(guò)粉末冶金方法制成的合金材料，其材料硬、脆、韌性差，熱膨脹系數(shù)小。

1.3 電阻釬焊的原理

電阻釬焊是利用電阻加熱原理將兩層或多層工件通以適當(dāng)電流，通過(guò)工件的電阻發(fā)熱產(chǎn)生高溫熔化釬料，達(dá)到焊接目的，一般分為直接加熱和間接加熱兩種方式。間接加熱是指釬焊電流只通過(guò)一個(gè)工件或者根本不通過(guò)工件。而直接加熱是指釬焊電流要通過(guò)所有工件，依靠工件及釬焊面的電阻發(fā)熱熔化釬料。直接加熱的優(yōu)點(diǎn)是升溫速度快，但要求釬焊面的貼合程度好。電阻釬焊廣泛使用的釬料包括銅基、銀基和鎳基等。

1.4 電阻釬焊工藝參數(shù)

電阻釬焊的工藝參數(shù)主要包括釬焊溫度、溫升速度、加熱時(shí)間及冷卻速度。釬焊溫度通常選在高于釬料熔點(diǎn)25～60℃，以保證釬料的流動(dòng)性，對(duì)于鎳釬料可高于熔點(diǎn)約100℃。其余參數(shù)主要參考焊接工件的材料及焊接特性適當(dāng)調(diào)節(jié)。

1.5 電阻釬焊實(shí)現(xiàn)方法

電阻釬焊的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示。在鋼筒上噴涂鎳基釬料（若硬質(zhì)合金在內(nèi)側(cè)，則鎳基釬料噴涂在內(nèi)表面），焊接設(shè)備為工頻固定式點(diǎn)焊機(jī)（成都順泰，DN-100）。

圖2 電阻釬焊實(shí)現(xiàn)方法

2 焊接缺陷分析

焊接缺陷為焊接裂紋、焊縫脆化、夾渣及氧化。

（1）焊接裂紋。

焊接裂紋主要出現(xiàn)在硬質(zhì)合金上，因?yàn)橛操|(zhì)合金YG8的材質(zhì)較脆、導(dǎo)熱率較低、膨脹系數(shù)小，在焊接時(shí)合金內(nèi)外的溫度梯度較大，從而產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件變形，而焊接時(shí)焊機(jī)施加的壓力太大變形受阻，不可避免地產(chǎn)生裂紋。硬質(zhì)合金YG8與鋼材（42CrMo）的膨脹系數(shù)差異較大，冷卻速度大小也會(huì)對(duì)裂紋形成產(chǎn)生重要影響。

（2）焊縫脆化。

主要原因是釬焊溫度太高釬料過(guò)度燒損，接頭部分出現(xiàn)熔蝕缺陷，即釬焊面留下凹坑。

（3）氣孔、夾渣及氧化。

主要原因是加熱溫度過(guò)低未達(dá)到釬料熔點(diǎn)，導(dǎo)致工件表面氧化，而釬料流動(dòng)性差造成氣孔和夾渣。

3 解決措施

電阻釬焊工藝參數(shù)的選擇對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。其中，溫升速度、加熱時(shí)間、冷卻速度及焊接壓力應(yīng)綜合考慮焊接母材的材料特性及釬料與母材的相互作用。硬質(zhì)合金刀片（YG8）材料較脆、導(dǎo)熱率較低，而鋼材（42CrMo）材料較厚，所以溫升及冷卻速度不宜太快，壓力不宜太高，否則容易裂紋、焊縫脆化。但也不能太低，否則會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣及氧化。部分硬質(zhì)金焊接時(shí)允許的溫升速度如表1所示。

表1 部分硬質(zhì)合金允許的溫升速度

3.1 焊接工藝

（1）電極頭的截面應(yīng)大于或等于硬質(zhì)合金的焊接面且接觸良好，促使焊接電流盡量均勻地通過(guò)硬質(zhì)合金焊接面，避免熱量分布不均勻的情況。

（2）在鋼筒的焊接面噴涂適量的鎳基釬料。

（3）硬質(zhì)合金（YG8）與鋼材（42CrMo）的膨脹系數(shù)差異很大，所以不能采用強(qiáng)規(guī)范焊接。

（4）通電時(shí)間不能太短，焊接電流不能太大，否則溫度上升太快，硬質(zhì)合金容易產(chǎn)生裂紋。

（6）焊接實(shí)驗(yàn)采用的參數(shù)如表2所示。

3.2 焊接效果

焊接后采用著色探傷方法檢查硬質(zhì)合金及焊縫是否存在裂紋：在火焰釬焊后施加滲透劑，如圖3所示；滲透完畢后清理、精磨表面，如圖4所示；使用4倍手持式單片放大鏡檢查硬質(zhì)合金表面及焊縫，硬質(zhì)合金及焊縫表面光滑未見(jiàn)裂紋，釬料填滿間隙。

表2 焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)論

（1）電阻釬焊工藝對(duì)合金刀片本體沒(méi)有損傷，極大地提高了石油鉆頭的產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）采用電阻釬焊方法能有效起到定位作用，在進(jìn)行火焰釬焊時(shí)不會(huì)移位和脫落。

（3）工藝簡(jiǎn)單，易于掌握，便于實(shí)施。

（4）經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)證明，焊接接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，值得推廣應(yīng)用。

圖3 火焰釬焊后施加滲透劑

圖4 滲透完畢后清理、精磨表面