[发明专利]高氮奥氏体不锈钢和无磁钻铤的轴向摩擦焊接工艺方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明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。本发明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。本发明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。