王顯林， 陳長青， 韓 旭， 張 然

（渤海能克鉆桿有限公司， 河北 青縣062658）

1 概 述

隨著油氣鉆井工業(yè)的發(fā)展， 針對深井、 超深井、 高腐蝕環(huán)境井以及短曲率半徑井等特殊工況， 常規(guī)鉆井工具已無法滿足鉆井要求[1]。 鈦合金材料本身具有強(qiáng)重比高、 耐腐蝕、 柔性好等特性， 可滿足日益苛刻的鉆井工況要求， 因此特殊油氣井鉆井工況對鈦合金鉆桿的需求日益迫切。

由于鈦合金材料高溫易氧化、 可焊性差、 熱處理溫度區(qū)間狹窄[2]， 通常國際上現(xiàn)場應(yīng)用的鈦合金鉆桿均采用鋼制接頭搭配鈦合金管體形式，鋼制接頭與鈦合金管體通過螺紋冷裝配的方式進(jìn)行連接（如圖1 所示）[3]。 鋼制接頭與鈦合金管體在裝配時(shí)， 接頭和管體上會產(chǎn)生徑向應(yīng)力， 鈦合金與合金鋼彈性模量的差異會引起鉆桿接頭與鉆桿管體連接端產(chǎn)生相對位移， 并產(chǎn)生極大的彎曲應(yīng)力， 從而導(dǎo)致接頭與管體連接處的疲勞壽命大幅降低， 因此， 鋼制接頭鈦合金鉆桿僅生產(chǎn)應(yīng)用于Φ73 mm 規(guī)格[4-5]。 通過對鈦合金摩擦焊接工藝進(jìn)行研究， 突破了鈦合金材料高速摩擦焊接的技術(shù)難題， 成功研制出接頭與管體均為鈦合金材料的摩擦焊接式全鈦合金鉆桿 （如圖2 所示）。 為確保摩擦焊接式全鈦合金鉆桿焊區(qū)性能滿足現(xiàn)場使用要求， 對鈦合金鉆桿摩擦焊接工藝進(jìn)行研究， 并對摩擦焊接式全鈦合金鉆桿焊縫性能進(jìn)行評價(jià)。

圖1 鋼制接頭鈦合金鉆桿連接示意圖

圖2 摩擦焊接式全鈦合金鉆桿連接示意圖

2 鈦合金鉆桿摩擦焊接工藝研究

鈦合金鉆桿采用Thompson M250 型連續(xù)推進(jìn)式摩擦焊接機(jī)進(jìn)行焊接， 液壓卡具將鈦合金管體夾持固定， 摩擦焊機(jī)卡爪夾持鈦合金接頭旋轉(zhuǎn)， 帶動(dòng)接頭向管體側(cè)移動(dòng)、 接觸、 加壓，當(dāng)鈦合金接觸面摩擦生熱達(dá)到一定時(shí)間后停止旋轉(zhuǎn)， 并通過接頭向管體施加一定的頂鍛力，從而使鈦合金接頭與管體之間形成穩(wěn)定的固態(tài)連接[6]。 鉆桿管體與接頭均采用鈦合金材料，其化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1 和表2。

表1 鈦合金鉆桿材料化學(xué)成分 %

表2 鈦合金鉆桿材料力學(xué)性能

鈦合金鉆桿摩擦焊接過程中焊接參數(shù)關(guān)系如圖3 所示， 鈦合金接頭以恒定轉(zhuǎn)速N 旋轉(zhuǎn)， 在軸向力的作用下逐漸靠攏管體焊接面， 當(dāng)接頭與管體接觸并壓緊后， 軸向壓力迅速升高至摩擦壓力設(shè)置值F1， 鈦合金摩擦面上的微型凸起首先發(fā)生粘接和剪切， 同時(shí)產(chǎn)生摩擦熱。 由于摩擦破壞鈦合金金屬表面， 促使純凈的鈦合金金屬接觸， 當(dāng)摩擦面的溫度升高時(shí)， 鈦合金的強(qiáng)度開始降低， 塑性和韌性大幅提升， 同時(shí)隨著實(shí)際接觸面積增大， 摩擦界面會覆蓋一層高溫黏性鈦合金金屬。 此時(shí)鈦合金接頭與管體之間的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)際已經(jīng)發(fā)生在這層黏塑性金屬內(nèi)部， 產(chǎn)生熱量的機(jī)理已由摩擦生熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎承越饘賹觾?nèi)的塑性變形生熱。 隨著溫度的傳導(dǎo)， 摩擦面兩側(cè)溫度逐漸升高， 在摩擦壓力F1的作用下， 焊合區(qū)鈦合金金屬發(fā)生徑向流動(dòng)， 黏性金屬被擠出形成飛邊，軸向縮短量逐漸增大。 當(dāng)摩擦?xí)r間t 達(dá)到一定值或軸向收縮位移S 達(dá)到一定長度時(shí)， 停止旋轉(zhuǎn)，于t2時(shí)刻將摩擦壓力F1迅速提升至頂鍛壓力F2，此時(shí)收縮位移S 急劇增大[7]。 保持頂鍛壓力F2至t4時(shí)刻， 讓鈦合金焊合區(qū)金屬相互擴(kuò)散和再結(jié)晶， 從而使鈦合金接頭與管體焊接在一起。

圖3 鈦合金鉆桿摩擦焊接參數(shù)關(guān)系

影響鈦合金焊接質(zhì)量的重要參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、 摩擦壓力、 摩擦?xí)r間、 頂鍛壓力、 頂鍛時(shí)間和焊接收縮量。 在鈦合金鉆桿摩擦焊時(shí) （如圖4 所示）， 接頭與管體焊接面通過摩擦進(jìn)行加熱， 加熱溫度和梯度要適當(dāng)， 既要使焊縫部位的鈦合金接近熔融狀態(tài)產(chǎn)生塑性變形和擴(kuò)散， 又不可使鈦合金過熱， 以致形成氧化疏松組織。 因此要合理選擇摩擦壓力和摩擦?xí)r間，通過控制摩擦壓力、 摩擦?xí)r間來保證合適的焊接總收縮量， 用來獲得理想的金屬組織和力學(xué)性能。 由于鈦合金材料與鋼制鉆桿材料不同，極易高溫氧化， 因此在設(shè)計(jì)鈦合金鉆桿摩擦焊接工藝時(shí)， 在保障足夠的總收縮量的同時(shí)， 盡可能縮短摩擦焊接時(shí)間[8]。 結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 設(shè)計(jì)鈦合金摩擦焊接工藝方案見表3。

圖4 鈦合金鉆桿摩擦焊接現(xiàn)場照片

表3 鈦合金鉆桿摩擦焊接工藝方案

按三種方案進(jìn)行摩擦焊接， 需要通過觀察焊接過程中接觸面是否完全融合、 有無缺陷。 用線切割將焊接面剖開， 在焊縫內(nèi)側(cè)開10 mm 深槽，用壓力機(jī)迫使鉆桿從焊縫處斷開， 觀察斷口情況[9]。 斷開后發(fā)現(xiàn)， 方案一接觸面并未完全融合，方案三飛邊成形不良， 僅有方案二的斷口齊平，呈銀灰色， 具有明顯的金屬光澤， 結(jié)晶顆粒相互交錯(cuò)， 沒有過燒、 白點(diǎn)、 分層、 灰斑等缺陷。 說明方案二焊接時(shí)兩邊組織摩擦充分， 完全達(dá)到了塑性變形狀態(tài)， 冷卻后呈脆性。 并且方案二實(shí)際收縮總量達(dá)到18.7 mm， 能夠保證將焊接面鈦合金組織全部擠出， 避免焊接面異物夾雜， 保障鈦合金鉆桿焊接質(zhì)量。 因此選用方案二工藝參數(shù)，進(jìn)行鈦合金鉆桿摩擦焊接生產(chǎn)， 鈦合金鉆桿摩擦焊接后形貌和焊接熔合部位剖面形貌分別如圖5和圖6 所示。

圖5 鈦合金鉆桿摩擦焊接后形貌

圖6 鈦合金鉆桿摩擦焊接熔合部位剖面形貌

3 鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)性能評價(jià)

3.1 試樣宏觀形貌

評價(jià)試樣取自鉆桿的鈦合金接頭與管體摩擦焊接熔合部位， 焊區(qū)經(jīng)過固溶時(shí)效熱處理。通過試樣剖開部位 （如圖7 所示） 可知， 摩擦焊區(qū)內(nèi)外壁均已打磨光滑無局部臺階或毛刺，摩擦焊熔合良好， 腐蝕液處理前不能區(qū)分熔合縫和熱影響區(qū)。

3.2 焊區(qū)金相組織分析

參照GB/T 13298—2015 中金相顯微組織檢驗(yàn)方法， 在摩擦焊鈦合金鉆桿焊縫區(qū)域制取金相試樣。 對所取金相試樣的橫向、 縱向界面進(jìn)行打磨、 拋光及腐蝕后， 采用Olympus PMG-3 型顯微鏡對其進(jìn)行夾雜物、 晶粒度級別判定和金相組織觀察[10]， 金相顯微組織如圖8 所示。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)材料縱（橫） 向截面的非金屬夾雜物均為環(huán)狀氧化物類D0.5 細(xì)系；金相組織為典型的雙態(tài)（層片狀α+β） 組織， 由等軸α 相、 長條狀次生α 相、 原始β 晶粒和相變β 相構(gòu)成； 晶粒度13.0 級。

3.3 焊區(qū)硬度測試分析

對鈦合金鉆桿焊區(qū)試樣進(jìn)行了腐蝕， 腐蝕液為HF+HNO3+H2O 溶液， 體積比為1:2:5， 找準(zhǔn)焊縫熔合位置 （紅色標(biāo)記線）， 分別沿兩端截取長20 mm （共計(jì)40 mm）、 寬15 mm、 厚6 mm 的硬度試塊， 如圖9 所示。 經(jīng)過磨拋后，采用Future-Tech FV-700 型維氏硬度計(jì)沿焊縫熔合位置分別向A 和B 方向進(jìn)行測試， 每兩個(gè)測試點(diǎn)間相距0.3 mm。 距焊縫不同距離位置的顯微維氏硬度值分布如圖10 所示。 硬度測試結(jié)果表明， 鈦合金鉆桿焊區(qū)硬度值分布在277.07HV～372.15HV， 能夠滿足現(xiàn)場使用技術(shù)要求 （≤375.0HV）， 焊縫與熔合區(qū)的顯微硬度差別不大， 無明顯的顯微硬度梯度， 焊縫熔合良好。

3.4 焊區(qū)拉伸性能評價(jià)

鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)拉伸性能測試參考GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》 進(jìn)行。以鈦合金鉆桿摩擦焊焊縫為中心制取3 件圓棒拉伸試樣 （平行段直徑8 mm）， 采用MTS810 電液伺服萬能機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試[11]， 測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。 測試結(jié)果表明， 鈦合金鉆桿焊區(qū)材料平均屈服強(qiáng)度達(dá)到922.5 MPa， 平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 013.4 MPa， 平均斷裂延伸率達(dá)到10.81%。

表3 鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)拉伸性能測試結(jié)果

3.5 焊區(qū)示波沖擊韌性測試

以焊縫為中心位置， 從鈦合金鉆桿焊區(qū)材料上制取縱向沖擊試樣共3 件， 在室溫條件下采用ZBC2302-D 型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊韌性測試，縱向沖擊試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm[12]，測試結(jié)果見表4。 結(jié)果表明， 鈦合金鉆桿焊區(qū)平均沖擊韌性值達(dá)到45.2 J， 滿足現(xiàn)場使用技術(shù)要求 （≥26.0 J）， 平均起裂功達(dá)到16.21 J，裂紋擴(kuò)展功達(dá)到28.99 J， 3 件試樣沖擊韌性值無明顯波動(dòng)。

表4 鈦合金鉆桿焊區(qū)示波沖擊韌性測試結(jié)果

3.6 焊區(qū)材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試及斷口形貌分析

鈦合金鉆桿焊區(qū)材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試參考GB/T 4337—2008 《金屬材料 疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》 進(jìn)行。 沿焊縫為中心制取疲勞試樣3 件， 試樣加工實(shí)物如圖11 所示。 試樣加工過程中連續(xù)冷卻， 避免表面過熱形成殘余應(yīng)力。 試樣的試驗(yàn)部分（腰鼓狀部分） 用成型砂輪磨削加工，粗糙度控制在0.08 左右。 采用PQ-6 型彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試[13]。 鈦合金鉆桿焊區(qū)材料名義抗拉強(qiáng)度為724 MPa， 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)彎曲正應(yīng)力按材料名義抗拉強(qiáng)度的50%進(jìn)行設(shè)定， 即362 MPa， 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命應(yīng)>107周次[14]。 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試結(jié)果見表5，由表5 可以看出， 3 件焊區(qū)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣在室溫承受362 MPa 彎曲載荷的條件下旋轉(zhuǎn)周數(shù)均超過107次， 滿足現(xiàn)場使用技術(shù)要求。 試樣2、 3 旋轉(zhuǎn)周次達(dá)到107后停止試驗(yàn)； 試樣1 旋轉(zhuǎn)周次達(dá)到107后繼續(xù)試驗(yàn)， 旋轉(zhuǎn)周次達(dá)到1.345×107時(shí)試樣疲勞斷裂。

圖11 焊區(qū)疲勞試樣實(shí)物圖

表5 鈦合金鉆桿焊區(qū)材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試結(jié)果

采用FEI Quanta 450 型環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM） 對焊區(qū)彎曲疲勞試樣1 斷口進(jìn)行形貌分析， 通過發(fā)現(xiàn)起裂點(diǎn)、 裂紋擴(kuò)展痕跡有助于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生疲勞斷裂原因或影響因素[15]。 疲勞試樣斷口形貌如圖12 所示， 由圖12 可以看出， A 區(qū)為疲勞斷裂源區(qū)， B 區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)， C 區(qū)為瞬斷區(qū)， D 區(qū)為剪切唇區(qū)。 裂紋源于試樣表面A 區(qū)域， 向試樣內(nèi)部擴(kuò)展延伸， 裂紋沿周向不斷擴(kuò)展， 延伸至D 區(qū)域表面（即A 區(qū)對面）， 發(fā)生開裂， 最后在C 區(qū)域瞬間斷裂， 致使彎曲疲勞試樣完全斷裂。

圖12 鈦合金疲勞試樣斷口形貌

對焊區(qū)彎曲疲勞試樣裂紋源區(qū)A 區(qū)域進(jìn)行局部放大觀察， 如圖13 所示。 彎曲疲勞試樣裂紋源于試樣外表面， 明顯可見此處的斷裂痕跡和疲勞輝紋線 （圖13 （a） 中紅色箭頭）， 斷口面的附著物為外界污染物 （圖13 （b） 中紅色箭頭）。

圖13 裂紋源區(qū)A 的斷口形貌

裂紋擴(kuò)展區(qū)B 區(qū)域斷口形貌如圖14 所示，由圖可見明顯的疲勞紋路， 斷面上分布著顆粒物（如圖14 （a） 所示）， 斷口上清晰可見平行裂紋（如圖14 （b） 所示）； 結(jié)合鈦合金鉆桿焊區(qū)金相組織分析結(jié)果， 這些平行裂紋位于片狀或針狀α相區(qū)域， 易先萌生裂紋并沿片狀形貌擴(kuò)展。

圖14 擴(kuò)展區(qū)B 的斷口形貌

瞬斷區(qū)C 區(qū)域斷口形貌如圖15 所示， 經(jīng)觀察分析可知， 斷裂特征為韌性斷裂， 有明顯的韌窩和撕裂棱， 并在撕裂棱處有較大裂縫存在（如圖15 （a） 所示）， 說明裂紋首先起始于晶界，個(gè)別韌窩底部可見球狀氧化物夾雜（如圖15 （b）所示）。

圖15 瞬斷區(qū)C 的斷口形貌

剪切唇區(qū)D 區(qū)域斷口形貌如圖16 所示， 經(jīng)分析可知， 斷口存在較明顯的韌窩（如圖16 （a） 所示）， 個(gè)別韌窩窩底也可見球狀氧化物夾雜 （如圖16 （b） 所示）。

圖16 剪切唇區(qū)D 的斷口形貌

4 結(jié) 論

（1） 摩擦焊接式全鈦合金鉆桿接頭與管體采用摩擦焊方式組裝連接， 獲得了合理的焊接工藝。

（2） 宏觀形貌觀察可見摩擦焊區(qū)內(nèi)外壁均已打磨光滑平整， 無局部臺階或毛刺， 鉆桿接頭與管體均為同種鈦合金材料， 摩擦焊熔合良好， 腐蝕處理前不能區(qū)分焊縫與熱影響區(qū)。

（3） 鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)材料縱（橫） 向截面的非金屬夾雜物為環(huán)狀氧化物類D0.5 細(xì)系；金相組織為典型的雙態(tài)（層片狀α+β） 組織， 由等軸α 相、 長條次生α 相、 原始β 晶粒和相變β 相構(gòu)成； 晶粒度13.0 級。

（4） 鈦合金鉆桿焊區(qū)材料力學(xué)性能良好， 平均屈服強(qiáng)度達(dá)到922.5 MPa， 平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 013.4 MPa， 平均斷裂延伸率達(dá)到10.81%， 焊區(qū)材 料強(qiáng) 度 達(dá)到896.35 MPa （130 ksi） 以上；平均沖擊韌性值達(dá)到45.2 J， 平均起裂功達(dá)到16.21 J， 裂紋擴(kuò)展功達(dá)到28.99 J， 沖擊韌性值無明顯波動(dòng)。

（5） 鈦合金鉆桿摩擦焊區(qū)材料具有良好的疲勞強(qiáng)度和壽命， 試樣在室溫下承受362 MPa 彎曲載荷條件下旋轉(zhuǎn)周數(shù)超過107次； 通過掃描電鏡對斷口掃描分析， 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣斷裂為韌性斷裂。 焊區(qū)材料整體性能可滿足鉆井現(xiàn)場使用要求。