20钢焊前热处理对半自动熔化极电弧焊焊接接头组织与性能的影响

20钢焊前热处理对半自动熔化极电弧焊焊接接头组织与性能的影响

赵小燕

中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430223

摘要：采用半自动熔化极实心焊丝电弧焊对1250℃高温热处理的20钢与中碳合金钢异种金属进行焊接试验，使用光镜（OM）、导向弯曲试验及力学拉伸性能测试等分析方法，研究焊前高温热处理对焊接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，不经高温热处理和经高温热处理的20钢焊接接头的弯曲性能均合格，抗拉强度均高于母材最低要求，完成了焊接工艺评定。

关键词：PDC钻头；20钢；中碳合金钢；焊前热处理；显微组织；力学性能

前言

胎体PDC钻头由WC和Co等粉料通过粉末冶金工艺制造，其中胎体钻头的上体与钻柱连接，将钻压和扭矩传递给PDC钻头[1-3]。下体和钻头体承受钻压和扭矩，带动复合片切削岩石。钢芯是胎体PDC钻头的重要部件，主要是通过焊接与上体连接，并在胎体钻头体烧结过程中与胎体粉料实现冶金结合。20钢因热膨胀系数与胎体接近，且韧性和强度较好，常用于胎体PDC钻头钢芯材料中碳合金钢具有优良的强韧性，常用于胎体PDC钻头上体材料。

在钻头的制造过程中，钢芯与上体的焊接是关键工序，属于异种钢材之间焊接，焊缝两侧的接头强度和微观形貌存在较大差异，其焊接质量直接决定钻头的服役寿命和可靠性，由于胎体钻头烧结温度达1250℃，烧结过程可能导致其组织性能发生变化。为了保证产品的焊接质量，采合适的焊接方法制定焊接工艺。本文采用与8 1/2 胎体钻头钢芯直径相同的20钢模拟件，研究高温热处理的20钢对焊接接头显微组织和力学性能的影响，具有十分重要的意义。

2、试验材料及方法

试验材料为20钢和中碳合金钢，化学成分见表1。将其中一件20钢模拟件随烧结胎体钻头一起进行烧结，烧结温度1250℃，保温2h。焊接方法采用半自动熔化极自保护实心焊丝电弧焊，Miller Deltaweld602型弧焊电源。焊丝采用φ1.2mm ER50-6型碳钢焊丝，V型坡口（坡口角度20o）。焊前焊缝20mm范围进行喷砂清理，清除铁锈、油污等污染物。施焊前，将母材进行预热，预热温度≥250℃，层间温度< 300℃，保护气80% Ar + 20% CO2，气体流量为15-20 L/min

表1 20钢和中碳合金钢的化学元素（wt%）

焊接完成后，对焊接试样进行外观和超声波检测，确认合格后，沿垂直焊接方向切取金相试验，经研磨抛光后用含4%硝的酒精溶液腐蚀，通过MEF4M金相显微镜观察各区域的组织形貌。采用线切割和机加工的方式沿垂直焊接方向制取棒状拉伸样，且需确保焊缝处于有效拉伸段中间，试验设备为电子万能材料试验机，每组焊接试板取3组拉伸试样，并进行抗拉强度测试试验，获得的抗拉强度、断裂延伸率和断面收缩率取平均值作为该组试样的试验结果。沿垂直焊接方向制取弯曲试样，且需确保焊缝处于有效拉伸段中间。弯曲试验的压头直径为38mm，弯曲角度为180°。对每组弯曲试样进行4次弯曲性能测试，获取的平均值作为该组试样的试验结果。

3、试验结果与分析

3.1 显微组织

焊接接头由焊缝，热影响区及母材三部分组成，如图1所示。其中，区域1是基体，区域2是热影响区，区域3是焊缝。从图中还可以看出，不经高温热处理和经高温热处理的20钢焊缝均完全焊透，无裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。此外，靠近20钢的热影响区组织与基体相比变化不明显，界限几乎看不出来，过渡平缓。

图1焊缝接头宏观形貌：（a）常规态20钢；（b）热处理态20钢

3.2 力学性能

对接头进行拉伸性能的测，断裂后对断口位置进行观察，不经高温热处理和经高温热处理的20钢焊接接头拉伸试样均在20钢母材一侧断裂，反映出焊缝的抗拉强度已达到甚至高于20钢母材的拉伸强。进一步分析可知，20钢不经高温热处理焊缝的抗拉强度为453.5 MPa，断后延伸率为20%，断面收缩率为62%。经热处理的20钢焊缝的抗拉强度为458.5 MPa，断后延伸率为18.5%，断面收缩率为59%。两者抗拉强度基本相当，但前者断后延伸率和断面收缩率相较于后者分别降低7.5%和4.8%。

不经高温热处理和经高温热处理的20钢焊接接头按照GB/T《焊接接头弯曲试验方法》进行横向侧弯试验考察对接焊缝及热影响区的弯曲性能。试验结果显示受拉面无任何开裂，符合标准要，弯曲试验结果合格。

4、结论

1）不经高温热处理的20钢和经高温热处理的20钢焊接接头抗拉强度基本相当，但前者断后延伸率和断面收缩率相较于后者分别降低7.5%和4.8%。

2）采用上述工艺焊接的异种钢焊缝，通过探伤、拉伸性能测试、弯曲测试和硬度测试等检验均获得理想结果，说明该工艺切实可行，为今后类似异种钢接头的焊接提供了借鉴。

[1] 张素慧.不同母材PDC钻头焊接强度及微观形貌的影响分析[J].煤矿机械, 2023,44(09):68-70.DOI:10.13436/j.mkjx.202309022

[2]徐玉超.胎体式PDC钻头基体制作新工艺[J].石油钻探技数,2015,43(02):126-129

[3]张玉龙,冉昕.胎体PDC钻头钢芯在烧结过程中的形变规律研究[J].装备制造技术,2016(02):41-42.