高氮奥氏体不锈钢和无磁钻铤的轴向摩擦焊接工艺方法技术

本发明专利技术涉及高氮奥氏体不锈钢和无磁钻铤的轴向摩擦焊接工艺方法，属于油气钻井工具的制备领域。所述应用为：将材质为高氮奥氏体不锈钢的工件夹装到摩擦焊机中后对旋转端和移动端的夹具中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向旋转端的工件移动，此时旋转端工件开始旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，当摩擦变形量达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得无磁钻铤。本发明专利技术提出以轴向摩擦焊接的方法对无磁钻铤进行加工及修复，以改善现有加工方法的材料浪费、成本较高、生产效率较低的问题，并克服了失效钻铤难以修复的问题。

Axial Friction Welding of High Nitrogen Austenitic Stainless Steel and Non-magnetic Drill Collar

The invention relates to an axial friction welding process method of high nitrogen austenitic stainless steel and non-magnetic drill collar, belonging to the preparation field of oil and gas drilling tools. The application is as follows: the workpiece made of high nitrogen austenitic stainless steel is clamped in a friction welding machine to weld the workpiece in the fixture of the rotating end and the moving end. At the beginning of the welding, the workpiece at the moving end moves to the workpiece at the rotating end, at which time the workpiece at the rotating end begins to rotate, and after the workpiece at the rotating end contacts the workpiece at the moving end, the workpiece at the rotati When the friction deformation reaches the set value, the rotation stops and the upsetting starts. The upsetting pressure is applied along the axis of the workpiece and the upsetting pressure is maintained. After unloading the upsetting pressure, the workpiece is taken out, and the non-magnetic drill collar is obtained. The invention proposes to process and repair the non-magnetic drill collar by means of axial friction welding, so as to improve the problems of material waste, high cost and low production efficiency of the existing processing method, and overcome the difficulty of repairing the failed drill collar.

【技术实现步骤摘要】
高氮奥氏体不锈钢和无磁钻铤的轴向摩擦焊接工艺方法
本专利技术属于轴向摩擦焊接工艺的应用领域，具体涉及利用连续驱动轴向摩擦焊接工艺和惯性轴向摩擦焊接工艺实现高氮奥氏体不锈钢焊接和油气资源勘探开发及地质勘探用的无磁钻铤的焊接和修复方法。
技术介绍
在石油和天然气深度钻采过程中，无磁钻铤是钻柱最重要组成部分，其位于钻柱下方，具有向钻头提供钻进压力、提高钻柱刚度和确保随钻测量装置的测量精度等作用(如说明书附图1所示)。深度较大的油气井在钻探过程中为确保钻采精度，都配备了随钻测量装置，其在钻探过程中通过感应井眼中的大地磁场，来对其垂直度进行修正，确保竖井钻探过程中方向的准确性。随钻测量装置必须在无磁的环境下工作以防止钻探过程中除地磁场外的其他磁场对随钻测量装置的干扰，因此钻柱下所连接的钻铤需具有较低的磁导率，较高的强度及耐蚀性。无磁钻铤所用材料经历了AISI-300系不锈钢、耐蚀合金、氮合金化不锈钢三个阶段，最初为AISI-300系不锈钢，这类材料易制备且成本较低，在服役条件良好的情况下，尚可满足要求，但随着我国高含硫探井的大量开发及钻采深度的增加，其耐腐蚀性能、力学性能等已无法满足要求。采用铍铜合金及Monel合金制造的无磁钻铤基本可以满足其性能要求，但由于价格昂贵，现已被高氮奥氏体不锈钢所替代。目前，研究人员主要采用手工电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体保护焊(GMAW)、激光焊等方法对这类不锈钢进行焊接。但采用手工电弧焊时，由于高氮奥氏体不锈钢的热导率较小，线膨胀系数较大，焊后易产生较大变形。钨极氩弧焊的焊接效率较低，焊接成本太高，而且易产生夹钨现象。熔化极气体保护焊(GMAW)在焊接的过程中易产生气孔及飞溅等缺陷。激光焊接的成本较高，且要求焊件装配精度较高。以上焊接方法均属熔焊工艺，使用熔焊工艺焊接高氮奥氏体不锈钢时通常存在以下问题：熔焊的热输入较大，在材料凝固的过程中易发生相变，从而使焊接接头处的磁导率发生变化；焊缝氮元素易流失，熔合区易产生氮气孔；碳化物、氮化物易析出，降低了焊接接头的耐蚀性；且易产生焊接热裂纹等问题。目前，无磁钻铤的主要加工方式为热轧和整体机加工，该加工方式可使无磁钻铤具有与母材相同的力学性能及耐腐蚀性能，同时加工过程中材料不发生相变，其磁导率始终保持较低水平，特别是对于一些不等直径的无磁钻铤制造来说，整体切削加工浪费大量材料，材料的利用率及生产效率较低，无磁钻铤的制造成本大幅增加，且当无磁钻铤断裂失效时，只能进行报废，无法修复。可以看出，现有的高氮奥氏体不锈钢焊接工艺如手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、激光焊等方法在制造和修复无磁钻铤应用中仍然存在很大的问题，甚至不宜直接用来制备无磁钻铤，但整体切削制备无磁钻铤的方法也存在利用率低、生产效率较低、制备成本高、失效钻铤难以修复等问题，因此，有必要研究一种新的不等直径无磁钻铤的制备及修复方法。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供轴向摩擦焊接工艺实现高氮奥氏体不锈钢的焊接及实现高氮奥氏体不锈钢材质的无磁钻铤的焊接制造和修复。本专利技术提出以轴向摩擦焊接工艺和惯性轴向摩擦焊接工艺对无磁钻铤进行加工及修复的方法，以改善现有加工方法的材料浪费、成本较高、生产效率较低的问题，并克服了失效钻铤难以修复的问题。本专利技术首次提出采用轴向摩擦焊接的方式生产及修复无磁钻铤，同时也是首次采用该工艺方法对高氮奥氏体不锈钢进行焊接，并且制备的无磁钻铤的力学性能完全满足美国石油协会(API)的要求。本专利技术的目的之一是提供连续驱动轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用。本专利技术的目的之二是提供惯性轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用。本专利技术的目的之三是提供连续驱动轴向摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用。本专利技术的目的之四是提供惯性轴向摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用。本专利技术的目的之五是提供连续驱动轴向摩擦焊接工艺制备的无磁钻铤。本专利技术的目的之六是提供惯性轴向摩擦焊接工艺制备的无磁钻铤。本专利技术的目的之七是提供修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法。本专利技术的目的之八是提供连续驱动轴向摩擦焊接、惯性轴向摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法及其制备的无磁钻铤，修复断裂、磨损失效的无磁钻铤的方法的应用。为实现上述专利技术目的，具体的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开了连续驱动轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用。优选的，所述应用为：一种连续驱动轴向摩擦焊接工艺焊接高氮奥氏体不锈钢的方法：将高氮奥氏体不锈钢夹装到连续驱动轴向摩擦焊机的夹具中，通过高氮奥氏体不锈钢之间的相对转动产生的摩擦和对高氮奥氏体不锈钢施加的顶锻压力进行焊接。具体的，所述连续驱动轴向摩擦焊接工艺焊接高氮奥氏体不锈钢的方法包括如下步骤：(1)焊接界面处理：清理高氮奥氏体不锈钢工件待焊界面的氧化皮、油污；(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，旋转端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、旋转端和移动端夹具保持同轴；(3)焊接：设置主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量、顶锻压力、保压时间参数后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向旋转端的工件移动，主轴带动旋转端工件开旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，接头处摩擦变形，变形量达到设定值，停止驱动，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件即可。其次，本专利技术公开了连续驱动轴向摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用；优选的，所述应用为：一种连续驱动轴向摩擦焊接制备无磁钻铤的方法：将待焊无磁钻铤工件夹装到连续驱动轴向摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的相对转动产生的摩擦和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即得无磁钻铤。具体的，本专利技术公开一种连续驱动轴向摩擦焊接工艺制备高氮奥氏体不锈钢无磁钻铤的方法，包括如下步骤：(1)焊接界面处理：将高氮奥氏体不锈钢制备成满足无磁钻铤形状和规格的待焊工件，清理工件待焊界面的氧化皮、油污；(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机中，旋转端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、旋转端和移动端夹具保持同轴；(3)焊接：设置主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量、顶锻压力、保压时间参数后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向旋转端的工件移动，主轴带动旋转端工件开旋转，，两者接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，接头处摩擦变形，变形量达到设定值，旋转停止，顶锻开始，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得高氮奥氏体不锈钢无磁钻铤。步骤(1)中，所述焊接界面处理的方法为：用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污等。步骤(3)中，所述主轴转速为300-2500rad/min，优选为2200rad/min。步骤(3)中，所述摩擦压力为50-500MPa。步骤(3)中，所述摩擦变形量为3-8mm，优选为5mm。步骤(3)中，所述顶锻压力为60-600Mpa。步骤(3)中，所述保压时间为5-20s，优选为10s。需要说明的是，本专利技术通过正交试验的极差分析和方差分析获知：顶锻压力对无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢连续驱动轴向摩擦焊接接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.连续驱动轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用；或，惯性轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用。

【技术特征摘要】
1.连续驱动轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用；或，惯性轴向摩擦焊接工艺在高氮奥氏体不锈钢中的应用。2.连续驱动轴向摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用；或，惯性轴向摩擦焊接工艺在无磁钻铤制备中的应用。3.一种连续驱动轴向摩擦焊接工艺焊接高氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于：将高氮奥氏体不锈钢夹装到连续驱动轴向摩擦焊机的夹具中，通过高氮奥氏体不锈钢之间的相对转动产生的摩擦和对高氮奥氏体不锈钢施加的顶锻压力进行焊接；优选的，所述方法具体包括如下步骤：(1)焊接界面处理：清理高氮奥氏体不锈钢工件待焊界面的氧化皮、油污；(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机的夹具中，旋转端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、旋转端和移动端夹具保持同轴；(3)焊接：设置主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量、顶锻压力、保压时间参数后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向旋转端的工件移动，主轴带动旋转端工件开旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，接头处摩擦变形，变形量达到设定值，旋转停止，顶锻开始，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件即可。4.一种连续驱动轴向摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，其特征在于：将待焊无磁钻铤工件夹装到续驱动轴向摩擦焊机的夹具中，通过待焊无磁钻铤工件之间的相对转动产生的摩擦和对待焊无磁钻铤工件施加的顶锻压力进行焊接，即得无磁钻铤。5.一种连续驱动轴向摩擦焊接工艺制备高氮奥氏体不锈钢无磁钻铤的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)焊接界面处理：将高氮奥氏体不锈钢制备成满足无磁钻铤形状和规格的待焊工件，清理工件待焊界面的氧化皮、油污；(2)焊件装夹：将步骤(1)中的工件夹装到摩擦焊机中，旋转端夹具和移动端夹具中各夹装一工件，且工件、旋转端和移动端夹具保持同轴；(3)焊接：设置主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量、顶锻压力、保压时间参数后对步骤(2)中的工件进行焊接，焊接开始时，移动端的工件向旋转端的工件移动，主轴带动旋转端工件开旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在摩擦压力的作用下开始摩擦产热，接头处摩擦变形，变形量达到设定值，旋转停止，顶锻开始，沿着工件的轴向对工件施加顶锻压力并保压，卸载顶锻压力后取出工件，即得高氮奥氏体不锈钢无磁钻铤；优选的，步骤(3)中，所述主轴转速为300-2500rad/min，优选为2200rad/min；或，所述摩擦压力为50-500MPa；或，所述摩擦变形量为3-8mm，进一步优选为5mm；或，所述顶锻压力为60-600Mpa；或，所述保压时间为5-20s，进一步优选为10s。6.一种惯性轴向摩擦焊接工艺制备无磁钻铤的方法，其特征在于：将待焊无磁钻铤工件夹装到摩擦焊机的夹具中，将飞轮及工件驱动到预定的转速后停止驱动，利用飞轮及工件的惯性带来的工件之间的相对转动所产生的摩擦和施加的顶锻压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦国梁，杨帆，李长安，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37