摘要：在钻井作业过程中，钻杆要承受弯、扭、压、拉等各种复杂的载荷，因此服役的安全性尤为重要。摩擦焊钻杆具有抗弯能力强、柔韧性好、耐磨等优点，因而应用非常广泛。摩擦焊钻杆接头与管体之间的焊接早期为电弧焊和闪光对焊，如今则逐步发展为连续驱动摩擦焊接及惯性摩擦焊接，而生产效率和焊缝质量也随焊接方法的改进而不断提高。目前，惯性摩擦焊是最流行的一种钻杆对焊方法。摩擦焊是通过摩擦热和压力使工件连接起来，因而在焊接完成以后的热处理中，如果处理工艺不当，容易导致管体局部的韧性及塑性变差。在某管厂G105钻杆焊区试样的冲击试验检测中，发现个别试样韧性极差，为了找到相关原因，对其进行了一系列分析和探讨，并提出了相关建议。
关键词：焊接；摩擦焊接；钻杆；热处理；冲击韧性
1.摩擦焊钻杆的生产过程
摩擦焊钻杆是通过摩擦焊这种焊接方式，将钻杆杆体和接头等工件连接起来。第一阶段，由电动机带动接头旋转，当达到一定的转速时，施加压力p1把管体压向旋转的接头，使管体和接头紧密接触，发生摩擦。第二阶段，接触面继续相互摩擦并产生热量和一定的塑性变形。第三阶段，减速停止旋转，同时施加顶锻压力p2完成焊接。焊接过程结束后，会有多余的管体组织被挤压出接触面，形成毛刺，应趁毛刺还未冷却用焊机上的冲头将其冲除。摩擦焊焊接的原理是利用焊接接触面之间的相对运动，产生摩擦热和塑形变形，并使接触面周围区域温度上升至接近熔点，此时，材料的塑性提高，变形抗力降低，伴随塑性变形，管体和接头在压力的作用下，通过界面的再结晶和分子扩散而实现连接。对摩擦焊钻杆的焊接过程了解之后，推测问题可能出在焊接之后的热处理过程中。
2焊后热处理与钻杆性能的关系
钻杆在摩擦焊接之后，需要对焊区进行“淬火+高温回火”的热处理，即通常说的调质处理。具体过程为：①奥氏体化；②淬火；③高温回火。
2.1奥氏体化
摩擦焊焊接完成后，首先要采用中频感应加热对焊缝进行奥氏体化，这种加热方式的特点为加热速度快，且焊缝热影响区窄。钻杆摩擦焊焊接区域剖面如图所示。由于是局部加热，在加热区两端边缘处（图中的区域1）必然有一段区域的温度较低，此区域的材料不能完全奥氏体化，却会使碳化物过分析出，形成大块的铁素体，甚至形成综合性能较差的上贝氏体，上贝氏体的渗碳体以片状分布在界面，很大程度降低了材料的塑性和韧性。因此这部分的组织会出现韧性差、硬度分布不均匀等现象。由于“集肤效应”，焊管外壁的温度要大于管子内部温度，因此管子内部（图中区域2）温度会稍低于外壁（图中区域3），也有可能出现和区域1中奥氏体不完全、析出大量渗碳体等情况。结合前文对试样金相组织的分析，从1#试样的显微组织可以看出，其中含有大量铁素体和片状渗碳体形貌的上贝氏体，再结合对硬度值的分析，1#试样硬度值较低，且分布不均匀，其冲击功为12J，剪切断面率为5%，韧性非常差，因此推测1#试样可能取自图中的区域1和区域2。
图为：钻杆摩擦焊焊接区域剖面示意图
3.2淬火
钻杆焊缝淬火采用淬火液冷却方式，淬火后，组织转变为大量马氏体。淬火的具体转变过程为：奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始，但在Ms以下某温度保持不变时，只有少量奥氏体转变。当温度进一步降低时，奥氏体由面心立方变成体心立方，碳原子来不及扩散，形成碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体。到达马氏体转变结束温度后，试样会产生90%以上的马氏体组织。
这种淬火过程也是一种连续冷却过程。在冷却过程中，奥氏体要通过各个转变温度区，因此可能先后发生几种转变，即：珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变等，然而冷却速度不同，发生的转变也不同，转变量也不同，得到的组织也不同。和奥氏体等温转变的C曲线一样，连续冷却转变也可以用热动力学曲线（连续冷却C曲线）表示，即CCT曲线。
奥氏体转变为马氏体的条件就是要冷却速度快，有足够的过冷度，这样溶解在奥氏体面心立方晶格里的碳原子来不及扩散，就被凝固在体心立方晶格里，形成马氏体。从CCT曲线来看，当冷却速度v>va时，冷却曲线不与珠光体转变开始线相交，而进入马氏体区，发生马氏体转变。va是奥氏体不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，即“淬火临界冷速”。而如果奥氏体淬火不充分，局部冷却速度较慢，没有达到足够过冷度的话，碳原子会发生扩散，奥氏体转变为铁素体+珠光体+渗碳体等不均匀组织，从CCT曲线来看，当冷却速度v<vb时，冷却曲线经过开始线到达结束线，先析出铁素体，然后析出铁素体和渗碳体有机结合的珠光体等组织。当冷速vb<v<va时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交，穿过中止线，奥氏体部分转变为珠光体渗碳体等组织。冷却曲线与中止线相交后停止转变，继续冷却至Ms线才发生马氏体转变。相对来说，冷却不充分产生的这部分组织会出现韧性低等较差的力学性能。
3.3高温回火
钻杆焊区经过淬火后，不仅内应力较大，而且过多马氏体会导致脆性增大，需采用中频感应加热进行高温回火。淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体，高温回火后将转化为性能良好的回火索氏体组织。
高温回火的原理是利用中频感应加热方式，对淬火之后的区域升温至500~650℃，保温浸置一段时间后，析出一部分碳化物，并消除部分因急冷造成的残留应力，从而提高材料的韧性。高温回火以后的组织为回火索氏体，回火索氏体是铁素体基体内分布碳化物球粒的复合组织。此时的铁素体已无碳的过饱和度，碳化物也很稳定，常温下是一种平衡组织，可以阻止断裂过程中裂纹的扩展，因此其综合力学性能很好。由前文可以看到，2#试样的显微组织为回火索氏体，其冲击功为119J，和3#试样的113J很接近，且硬度值均匀，说明其韧性良好，符合使用要求。图中区域3是马氏体化和高温回火较充分的区域，因此，2#试样应取自图的区域3。高温回火过程中，温度是很关键的因素，如果温度控制不好，马氏体就不能完全转变。
回火过程控制中还应注意，回火覆盖范围不能太窄，否则回火不充分，会造成马氏体剩余过多，导致管体局部脆性过大。回火温度和回火时间要把握好，温度尽量控制在500~650℃，如果温度过高，时间过长，则会导致回火索氏体重新分解，即过回火现象。
4结语
（1）钻杆摩擦焊焊接区域在奥氏体化过程中，延长保温时间，做到均匀充分奥氏体化。
（2）淬火过程中，提高冷却速度，使焊区获得均匀的马氏体组织。
（3）高温回火时，采用红外测温仪对回火温度进行控制，合理匹配加热参数，增大加热功率和涡流透入深度，实现透入式加热，使管体内外管壁充分回火，达到理想温度。
参考文献：
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论文作者:李耀
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：奥氏体论文; 钻杆论文; 摩擦论文; 组织论文; 试样论文; 温度论文; 区域论文; 《基层建设》2019年第6期论文;