摩擦焊接式全钛合金钻杆焊区性能评价与研究

王显林， 陈长青， 韩 旭， 张 然

（渤海能克钻杆有限公司， 河北 青县062658）

1 概 述

随着油气钻井工业的发展， 针对深井、 超深井、 高腐蚀环境井以及短曲率半径井等特殊工况， 常规钻井工具已无法满足钻井要求[1]。 钛合金材料本身具有强重比高、 耐腐蚀、 柔性好等特性， 可满足日益苛刻的钻井工况要求， 因此特殊油气井钻井工况对钛合金钻杆的需求日益迫切。

由于钛合金材料高温易氧化、 可焊性差、 热处理温度区间狭窄[2]， 通常国际上现场应用的钛合金钻杆均采用钢制接头搭配钛合金管体形式，钢制接头与钛合金管体通过螺纹冷装配的方式进行连接（如图1 所示）[3]。 钢制接头与钛合金管体在装配时， 接头和管体上会产生径向应力， 钛合金与合金钢弹性模量的差异会引起钻杆接头与钻杆管体连接端产生相对位移， 并产生极大的弯曲应力， 从而导致接头与管体连接处的疲劳寿命大幅降低， 因此， 钢制接头钛合金钻杆仅生产应用于Φ73 mm 规格[4-5]。 通过对钛合金摩擦焊接工艺进行研究， 突破了钛合金材料高速摩擦焊接的技术难题， 成功研制出接头与管体均为钛合金材料的摩擦焊接式全钛合金钻杆 （如图2 所示）。 为确保摩擦焊接式全钛合金钻杆焊区性能满足现场使用要求， 对钛合金钻杆摩擦焊接工艺进行研究， 并对摩擦焊接式全钛合金钻杆焊缝性能进行评价。

图1 钢制接头钛合金钻杆连接示意图

图2 摩擦焊接式全钛合金钻杆连接示意图

2 钛合金钻杆摩擦焊接工艺研究

钛合金钻杆采用Thompson M250 型连续推进式摩擦焊接机进行焊接， 液压卡具将钛合金管体夹持固定， 摩擦焊机卡爪夹持钛合金接头旋转， 带动接头向管体侧移动、 接触、 加压，当钛合金接触面摩擦生热达到一定时间后停止旋转， 并通过接头向管体施加一定的顶锻力，从而使钛合金接头与管体之间形成稳定的固态连接[6]。 钻杆管体与接头均采用钛合金材料，其化学成分与力学性能分别见表1 和表2。

表1 钛合金钻杆材料化学成分 %

表2 钛合金钻杆材料力学性能

钛合金钻杆摩擦焊接过程中焊接参数关系如图3 所示， 钛合金接头以恒定转速N 旋转， 在轴向力的作用下逐渐靠拢管体焊接面， 当接头与管体接触并压紧后， 轴向压力迅速升高至摩擦压力设置值F1， 钛合金摩擦面上的微型凸起首先发生粘接和剪切， 同时产生摩擦热。 由于摩擦破坏钛合金金属表面， 促使纯净的钛合金金属接触， 当摩擦面的温度升高时， 钛合金的强度开始降低， 塑性和韧性大幅提升， 同时随着实际接触面积增大， 摩擦界面会覆盖一层高温黏性钛合金金属。 此时钛合金接头与管体之间的相对运动实际已经发生在这层黏塑性金属内部， 产生热量的机理已由摩擦生热转变为粘性金属层内的塑性变形生热。 随着温度的传导， 摩擦面两侧温度逐渐升高， 在摩擦压力F1的作用下， 焊合区钛合金金属发生径向流动， 黏性金属被挤出形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。 当摩擦时间t 达到一定值或轴向收缩位移S 达到一定长度时， 停止旋转，于t2时刻将摩擦压力F1迅速提升至顶锻压力F2，此时收缩位移S 急剧增大[7]。 保持顶锻压力F2至t4时刻， 让钛合金焊合区金属相互扩散和再结晶， 从而使钛合金接头与管体焊接在一起。

图3 钛合金钻杆摩擦焊接参数关系

影响钛合金焊接质量的重要参数有主轴转速、 摩擦压力、 摩擦时间、 顶锻压力、 顶锻时间和焊接收缩量。 在钛合金钻杆摩擦焊时 （如图4 所示）， 接头与管体焊接面通过摩擦进行加热， 加热温度和梯度要适当， 既要使焊缝部位的钛合金接近熔融状态产生塑性变形和扩散， 又不可使钛合金过热， 以致形成氧化疏松组织。 因此要合理选择摩擦压力和摩擦时间，通过控制摩擦压力、 摩擦时间来保证合适的焊接总收缩量， 用来获得理想的金属组织和力学性能。 由于钛合金材料与钢制钻杆材料不同，极易高温氧化， 因此在设计钛合金钻杆摩擦焊接工艺时， 在保障足够的总收缩量的同时， 尽可能缩短摩擦焊接时间[8]。 结合经验数据， 设计钛合金摩擦焊接工艺方案见表3。

图4 钛合金钻杆摩擦焊接现场照片

表3 钛合金钻杆摩擦焊接工艺方案

按三种方案进行摩擦焊接， 需要通过观察焊接过程中接触面是否完全融合、 有无缺陷。 用线切割将焊接面剖开， 在焊缝内侧开10 mm 深槽，用压力机迫使钻杆从焊缝处断开， 观察断口情况[9]。 断开后发现， 方案一接触面并未完全融合，方案三飞边成形不良， 仅有方案二的断口齐平，呈银灰色， 具有明显的金属光泽， 结晶颗粒相互交错， 没有过烧、 白点、 分层、 灰斑等缺陷。 说明方案二焊接时两边组织摩擦充分， 完全达到了塑性变形状态， 冷却后呈脆性。 并且方案二实际收缩总量达到18.7 mm， 能够保证将焊接面钛合金组织全部挤出， 避免焊接面异物夹杂， 保障钛合金钻杆焊接质量。 因此选用方案二工艺参数，进行钛合金钻杆摩擦焊接生产， 钛合金钻杆摩擦焊接后形貌和焊接熔合部位剖面形貌分别如图5和图6 所示。

图5 钛合金钻杆摩擦焊接后形貌

图6 钛合金钻杆摩擦焊接熔合部位剖面形貌

3 钛合金钻杆摩擦焊区性能评价

3.1 试样宏观形貌

评价试样取自钻杆的钛合金接头与管体摩擦焊接熔合部位， 焊区经过固溶时效热处理。通过试样剖开部位 （如图7 所示） 可知， 摩擦焊区内外壁均已打磨光滑无局部台阶或毛刺，摩擦焊熔合良好， 腐蚀液处理前不能区分熔合缝和热影响区。

3.2 焊区金相组织分析

参照GB/T 13298—2015 中金相显微组织检验方法， 在摩擦焊钛合金钻杆焊缝区域制取金相试样。 对所取金相试样的横向、 纵向界面进行打磨、 抛光及腐蚀后， 采用Olympus PMG-3 型显微镜对其进行夹杂物、 晶粒度级别判定和金相组织观察[10]， 金相显微组织如图8 所示。 结果发现： 钛合金钻杆摩擦焊区材料纵（横） 向截面的非金属夹杂物均为环状氧化物类D0.5 细系；金相组织为典型的双态（层片状α+β） 组织， 由等轴α 相、 长条状次生α 相、 原始β 晶粒和相变β 相构成； 晶粒度13.0 级。

3.3 焊区硬度测试分析

对钛合金钻杆焊区试样进行了腐蚀， 腐蚀液为HF+HNO3+H2O 溶液， 体积比为1:2:5， 找准焊缝熔合位置 （红色标记线）， 分别沿两端截取长20 mm （共计40 mm）、 宽15 mm、 厚6 mm 的硬度试块， 如图9 所示。 经过磨抛后，采用Future-Tech FV-700 型维氏硬度计沿焊缝熔合位置分别向A 和B 方向进行测试， 每两个测试点间相距0.3 mm。 距焊缝不同距离位置的显微维氏硬度值分布如图10 所示。 硬度测试结果表明， 钛合金钻杆焊区硬度值分布在277.07HV～372.15HV， 能够满足现场使用技术要求 （≤375.0HV）， 焊缝与熔合区的显微硬度差别不大， 无明显的显微硬度梯度， 焊缝熔合良好。

3.4 焊区拉伸性能评价

钛合金钻杆摩擦焊区拉伸性能测试参考GB/T 228—2002 《金属材料室温拉伸试验方法》 进行。以钛合金钻杆摩擦焊焊缝为中心制取3 件圆棒拉伸试样 （平行段直径8 mm）， 采用MTS810 电液伺服万能机进行拉伸性能测试[11]， 测试数据结果见表3。 测试结果表明， 钛合金钻杆焊区材料平均屈服强度达到922.5 MPa， 平均抗拉强度达到1 013.4 MPa， 平均断裂延伸率达到10.81%。

表3 钛合金钻杆摩擦焊区拉伸性能测试结果

3.5 焊区示波冲击韧性测试

以焊缝为中心位置， 从钛合金钻杆焊区材料上制取纵向冲击试样共3 件， 在室温条件下采用ZBC2302-D 型冲击试验机进行冲击韧性测试，纵向冲击试样尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm[12]，测试结果见表4。 结果表明， 钛合金钻杆焊区平均冲击韧性值达到45.2 J， 满足现场使用技术要求 （≥26.0 J）， 平均起裂功达到16.21 J，裂纹扩展功达到28.99 J， 3 件试样冲击韧性值无明显波动。

表4 钛合金钻杆焊区示波冲击韧性测试结果

3.6 焊区材料旋转弯曲疲劳性能测试及断口形貌分析

钛合金钻杆焊区材料的旋转弯曲疲劳性能测试参考GB/T 4337—2008 《金属材料 疲劳试验旋转弯曲方法》 进行。 沿焊缝为中心制取疲劳试样3 件， 试样加工实物如图11 所示。 试样加工过程中连续冷却， 避免表面过热形成残余应力。 试样的试验部分（腰鼓状部分） 用成型砂轮磨削加工，粗糙度控制在0.08 左右。 采用PQ-6 型弯曲疲劳试验机在室温下进行旋转弯曲疲劳性能测试[13]。 钛合金钻杆焊区材料名义抗拉强度为724 MPa， 旋转弯曲疲劳试验弯曲正应力按材料名义抗拉强度的50%进行设定， 即362 MPa， 旋转弯曲疲劳寿命应>107周次[14]。 旋转弯曲疲劳性能测试结果见表5，由表5 可以看出， 3 件焊区旋转弯曲疲劳试样在室温承受362 MPa 弯曲载荷的条件下旋转周数均超过107次， 满足现场使用技术要求。 试样2、 3 旋转周次达到107后停止试验； 试样1 旋转周次达到107后继续试验， 旋转周次达到1.345×107时试样疲劳断裂。

图11 焊区疲劳试样实物图

表5 钛合金钻杆焊区材料旋转弯曲疲劳性能测试结果

采用FEI Quanta 450 型环境扫描电子显微镜（ESEM） 对焊区弯曲疲劳试样1 断口进行形貌分析， 通过发现起裂点、 裂纹扩展痕迹有助于发现产生疲劳断裂原因或影响因素[15]。 疲劳试样断口形貌如图12 所示， 由图12 可以看出， A 区为疲劳断裂源区， B 区为裂纹扩展区， C 区为瞬断区， D 区为剪切唇区。 裂纹源于试样表面A 区域， 向试样内部扩展延伸， 裂纹沿周向不断扩展， 延伸至D 区域表面（即A 区对面）， 发生开裂， 最后在C 区域瞬间断裂， 致使弯曲疲劳试样完全断裂。

图12 钛合金疲劳试样断口形貌

对焊区弯曲疲劳试样裂纹源区A 区域进行局部放大观察， 如图13 所示。 弯曲疲劳试样裂纹源于试样外表面， 明显可见此处的断裂痕迹和疲劳辉纹线 （图13 （a） 中红色箭头）， 断口面的附着物为外界污染物 （图13 （b） 中红色箭头）。

图13 裂纹源区A 的断口形貌

裂纹扩展区B 区域断口形貌如图14 所示，由图可见明显的疲劳纹路， 断面上分布着颗粒物（如图14 （a） 所示）， 断口上清晰可见平行裂纹（如图14 （b） 所示）； 结合钛合金钻杆焊区金相组织分析结果， 这些平行裂纹位于片状或针状α相区域， 易先萌生裂纹并沿片状形貌扩展。

图14 扩展区B 的断口形貌

瞬断区C 区域断口形貌如图15 所示， 经观察分析可知， 断裂特征为韧性断裂， 有明显的韧窝和撕裂棱， 并在撕裂棱处有较大裂缝存在（如图15 （a） 所示）， 说明裂纹首先起始于晶界，个别韧窝底部可见球状氧化物夹杂（如图15 （b）所示）。

图15 瞬断区C 的断口形貌

剪切唇区D 区域断口形貌如图16 所示， 经分析可知， 断口存在较明显的韧窝（如图16 （a） 所示）， 个别韧窝窝底也可见球状氧化物夹杂 （如图16 （b） 所示）。

图16 剪切唇区D 的断口形貌

4 结 论

（1） 摩擦焊接式全钛合金钻杆接头与管体采用摩擦焊方式组装连接， 获得了合理的焊接工艺。

（2） 宏观形貌观察可见摩擦焊区内外壁均已打磨光滑平整， 无局部台阶或毛刺， 钻杆接头与管体均为同种钛合金材料， 摩擦焊熔合良好， 腐蚀处理前不能区分焊缝与热影响区。

（3） 钛合金钻杆摩擦焊区材料纵（横） 向截面的非金属夹杂物为环状氧化物类D0.5 细系；金相组织为典型的双态（层片状α+β） 组织， 由等轴α 相、 长条次生α 相、 原始β 晶粒和相变β 相构成； 晶粒度13.0 级。

（4） 钛合金钻杆焊区材料力学性能良好， 平均屈服强度达到922.5 MPa， 平均抗拉强度达到1 013.4 MPa， 平均断裂延伸率达到10.81%， 焊区材 料强 度 达到896.35 MPa （130 ksi） 以上；平均冲击韧性值达到45.2 J， 平均起裂功达到16.21 J， 裂纹扩展功达到28.99 J， 冲击韧性值无明显波动。

（5） 钛合金钻杆摩擦焊区材料具有良好的疲劳强度和寿命， 试样在室温下承受362 MPa 弯曲载荷条件下旋转周数超过107次； 通过扫描电镜对断口扫描分析， 旋转弯曲疲劳试样断裂为韧性断裂。 焊区材料整体性能可满足钻井现场使用要求。