一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝

本发明涉及焊接材料，特别涉及一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝。

背景技术：

1、钻杆是油气资源勘探和开采的重要工具之一，通过将钻机的扭矩传递给钻头实现钻进。在钻进过程中，钻杆接头部分的外径大于钻杆本身，钻杆接头优先与井壁或者套管内壁发生摩擦，因此钻杆接头成为钻杆磨损最严重的部位。为了解决这一问题，需要在钻杆接头堆焊一层熔覆金属保护钻杆接头，这层熔覆金属被称为钻杆接头耐磨带。耐磨带能够将钻杆接头与井壁或者套管内壁隔离，有效地降低岩石颗粒对钻杆接头的磨损。

2、药芯焊丝电弧堆焊是钻杆接头耐磨带常见的制备技术。根据不同工作环境和使用性能，合理设计药芯成分，并在母材表面进行电弧堆焊，获得硬度高、耐磨性高、耐腐蚀的堆焊层。药芯焊丝电弧堆焊适用范围广，生产效率高，成本低廉，并且设备简单，现场施工性好，是钻具公司和油田首选的耐磨带堆焊工艺。开发一种高性能的药芯焊丝，使其堆焊后获得的熔覆金属具备良好的耐磨性，同时兼具较低的摩擦系数和良好的减摩性，是解决钻杆接头和套管内壁磨损的关键措施。

3、目前，常用的耐磨带材料有碳化钨耐磨带和高铬铁基耐磨带。碳化钨耐磨带凭借其中含有的高硬度和高耐磨硬质合金碳化钨相，具有良好的硬度和耐磨性；高铬铁基合金耐磨带的显微组织中会析出高体积分数的粗大硬质相初生碳化物m7c3，这些硬质相的析出显著提高了耐磨带的硬度和耐磨性，能够有效地保护钻杆接头，防止钻杆接头发生严重磨损。然而，正是由于这些硬质相具有高硬度和耐磨性，这些材料也会造成套管内壁发生严重的磨损，甚至将套管磨穿以致报废；在高应力磨损工况下也容易发生开裂，导致耐磨带失效报废。碳化物强化铁铬合金是一种新型的耐磨带材料，它在马氏体基体上析出细小的硬质碳化物相，这些弥散分布的碳化物能显著提高合金的硬度和耐磨性，而且马氏体基体加细小的碳化物还能表现出良好的减摩性，降低对套管内壁的磨损和开裂性，延长套管的服役时间。常见的碳化物有tic、nbc、moc、vc、wc，其中tic凭借其高硬度、优异的耐磨性、耐蚀性和热稳定性成为铁基、铝基、钛基、铜基、钴基等合金的强化相。合金中析出tic的方式有两种，一种是向药芯焊丝中直接添加tic，一种是通过药芯焊丝中的钛铁和石墨原位反应生成tic。通过原位生成tic的方式获得的堆焊合金的成形更好，力学性能更加优异。但是不可避免的是两种方式都会产生气孔缺陷。因此需要改变药芯焊丝的成分来抑制焊接气孔缺陷的产生，提高耐磨带的堆焊工艺性。

技术实现思路

1、基于上述内容，本发明目的在于提供一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝。本发明提供的药芯焊丝通过电弧堆焊获得的堆焊合金不仅堆焊工艺性好，焊缝成形美观，表面气孔数量少，还具备高硬度、高耐磨性以及良好的减摩性，减少了耐磨带对套管的磨损。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种药芯粉末，包括以下质量百分含量的组分：钛铁20～30％、碳化铬47～57％、钼铁4～12％、锰4～10％、硅铁4～10％、石墨2～8％、钒铁2～8％、氟化钠1～6％，余量为铁粉。

3、优选地，包括以下质量百分含量的组分：钛铁24～26％、碳化铬52～55％、钼铁6～8％、锰6～8％、硅铁6～8％、石墨4～6％、钒铁3～6％、氟化钠2～4％，余量为铁粉。

4、优选地，所述钛铁的粒径为30～50目；所述碳化铬、钼铁和钒铁的粒径均为80～100目；所述锰的粒径为60～80目；所述硅铁的粒径为70～90目；所述石墨的粒径为40～60目；所述氟化钠的粒径为50～70目。

5、优选地，所述钛铁中钛的质量分数为70％；所述碳化铬中铬的质量分数为87％，碳的质量分数为8％；所述钼铁粉中钼的质量分数为60％；所述硅铁中硅的质量分数为75％；所述钒铁粉中钒的质量分数为50％；所述锰原料中锰的质量分数大于90％；所述石墨中碳的质量分数大于99.5％。

6、本发明还提供了一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝，原料包括上述技术方案所述的药芯粉末。

7、优选地，所述药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22～30％。

8、本发明还提供了一种减少钻杆接头耐磨带焊接气孔的焊接方法，采用上述技术方案所述的钻杆接头耐磨带药芯焊丝进行焊接；所述焊接工艺为电弧堆焊工艺。

9、优选地，所述电弧堆焊工艺参数为：电压：21～24v，电流：280～300a，送丝速度：8～9m/min，气氛：80％ar+20％co2混合气，气体流量：15～20l/min，焊丝伸长量：15～20mm。

10、优选地，所述焊接完成后，所获得的熔覆金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：c：1.40～2.22％，cr：11.0～13.4％，ti：4.00～7.50％，si：1.20～2.00％，mn：1.20～2.00％，mo：1.20～2.00％，v：0.20～0.80％，al：0.20～1.00％，fe：余量。

11、有益技术效果：

12、本发明提供的钻杆接头耐磨带用药芯焊丝符合新型耐磨带材料的使用性能，满足高硬度和优异的耐磨性的同时，能够具备良好的减摩性，减少对套管内壁的磨损。

13、采用本发明钻杆接头耐磨带用药芯焊丝进行电弧堆焊得到的合金的组织由马氏体、奥氏体、硬质相tic和共晶碳化物m7c3组成。合金中原位生成的tic能够细化马氏体的晶粒，马氏体晶粒的减小可以起到细晶强化的作用，不仅提高了马氏体的强度和硬度，还能改善马氏体的塑性，使得基体组织表现出综合的强韧性能。同时弥散分布的硬质相tic尺寸小，与马氏体的结合强度高，显著地提高了基体的耐磨性，细小的晶粒组织以及细小的硬质相tic表现出良好的减摩性，能够降低耐磨带对套管的磨损，延长套管的服役时间。

14、本发明的钻杆接头耐磨带用药芯焊丝电弧堆焊工艺性好，焊缝成形好，表面气孔数量少，飞溅量少，堆焊合金与母材冶金结合强度高。本发明钻杆接头耐磨带用药芯焊丝采用的是原位生成tic的方式，与药芯焊丝中直接添加tic的方式相比，原位生成tic与基体的润湿性更好，原位tic与基体的结合强度更高，对提高堆焊合金的硬度和耐磨性的作用更显著。同时，采用钛铁和石墨原位生成tic，药芯粉末的成本更低，更适合大规模大批量的生产。

技术特征：

1.一种药芯粉末，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：钛铁20～30％、碳化铬47～57％、钼铁4～12％、锰4～10％、硅铁4～10％、石墨2～8％、钒铁2～8％、氟化钠1～6％，余量为铁粉。

2.根据权利要求1所述的药芯粉末，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：钛铁24～26％、碳化铬52～55％、钼铁6～8％、锰6～8％、硅铁6～8％、石墨4～6％、钒铁3～6％、氟化钠2～4％，余量为铁粉。

3.根据权利要求1或2所述的药芯粉末，其特征在于，所述钛铁的粒径为30～50目；所述碳化铬、钼铁和钒铁的粒径均为80～100目；所述锰的粒径为60～80目；所述硅铁的粒径为70～90目；所述石墨的粒径为40～60目；所述氟化钠的粒径为50～70目。

4.根据权利要求1或2所述的药芯粉末，其特征在于，所述钛铁中钛的质量分数为70％；所述碳化铬中铬的质量分数为87％，碳的质量分数为8％；所述钼铁粉中钼的质量分数为60％；所述硅铁中硅的质量分数为75％；所述钒铁粉中钒的质量分数为50％；所述锰原料中锰的质量分数大于90％；所述石墨中碳的质量分数大于99.5％。

5.一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝，其特征在于，原料包括权利要求1-4任一项所述的药芯粉末。

6.根据权利要求5所述的钻杆接头耐磨带药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22～30％。

7.一种减少钻杆接头耐磨带焊接气孔的焊接方法，其特征在于，采用权利要求5或6所述的钻杆接头耐磨带药芯焊丝进行焊接；所述焊接工艺为电弧堆焊工艺。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述电弧堆焊工艺参数为：电压：21～24v，电流：280～300a，送丝速度：8～9m/min，气氛：80％ar+20％co2混合气，气体流量：15～20l/min，焊丝伸长量：15～20mm。

9.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接完成后，所获得的熔覆金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：c：1.40～2.22％，cr：11.0～13.4％，ti：4.00～7.50％，si：1.20～2.00％，mn：1.20～2.00％，mo：1.20～2.00％，v：0.20～0.80％，al：0.20～1.00％，fe：余量。

技术总结
本发明提供了一种钻杆接头耐磨带药芯焊丝，属于焊接材料技术领域。本发明的药芯粉末包括以下质量百分含量的组分：钛铁20～30％、碳化铬47～57％、钼铁4～12％、锰4～10％、硅铁4～10％、石墨2～8％、钒铁2～8％、氟化钠1～6％，余量为铁粉。药芯焊丝的原料包括所述的药芯粉末。本发明提供的药芯焊丝通过电弧堆焊获得的堆焊合金不仅堆焊工艺性好，焊缝成形美观，表面气孔数目少，还具备高硬度，高耐磨性以及良好的减摩性，减少了耐磨带对套管的磨损。

技术研发人员：贺定勇,童治翔,邵蔚,周正,崔丽,谈震,郭星晔,王国红,吴旭,吴杨,马利霞
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23