AISI4145H钢合金化合理，淬透性强，热处理后可得到高强度与高韧性相结合的综合力学性能，缺口敏感度低、抗扭性能优异、截面硬度趋于均匀，是钻杆用钢的理想材料。KB100耐磨材料是北京固本科技有限公司生产的耐磨带焊接材料，属于铁基耐磨合金材料，具有非常低的摩擦因数，在钻井工程中对套管的磨损最低，在裸眼井钻进时，抗磨能力相当于碳化钨颗粒，而不会被迅速的磨损，这种材料不但在保护套管防磨的同时，也保护了钻具本身，是一种耐磨减摩焊接材料。因此在钻杆的生产过程中希望在AISI4145H钢表面堆焊一层KB100耐磨材料，以延长钻杆的使用寿命。北京固本科技所提供的堆焊工艺要求堆焊时必须采用100%CO2保护气体，但在实际应用中发现，100%CO2保护气体焊接产生的飞溅过大，致使耐磨带表面质量较差。因此，本文通过研究不同保护气体对焊接过程的影响，优化了堆焊工艺，对钻杆实际生产具有一定的指导意义。

　　1　试验材料及方法

　　试验母材采用AISI4145H钢，供货状态为调质热处理态，即:淬火+回火，常规力学性能为屈服强度:985MPa，抗拉强度:1020MPa，延伸率:23%，夏比冲击功:61J，布氏硬度:310HB。试件尺寸为外径121mm，内径57mm的厚壁管。焊接材料为北京固本科技生产的KB100耐磨带焊丝，规格为1.6mm。

　　试验选用的焊接设备为美国ARC公司生产的熔化极气体保护自动焊机，型号为ARC8P，耐磨带焊接方式采用直流反接，预热温度为200℃，焊枪嘴到工件距离为23mm，焊枪逆工件旋转方向偏移量为15mm，焊枪与铅垂线夹角为18°，焊枪摆幅为22mm。焊接时，焊接工艺参数如下:焊接电流280A，焊接电压25V，主轴转速为150s/r，摆动速度为70次/min。试验对3组保护气体进行了比较:98%Ar+2%O2、80%Ar+20%CO2、100%CO2。气体流量控制在15L/min。在焊接过程中，采用98%Ar+2%O2和80%Ar+20%CO2保护气体都比100%CO2飞溅小，焊后分别对接头耐磨带进行硬度测试以及显微组织观察。

　　2　试验结果及分析

　　2.1　硬度

　　焊后的耐磨带试样纵向剖面硬度见表2。可以看出，采用80%Ar+20%CO2和100%CO2保护气体焊缝区硬度都比98%Ar+2%O2高。

　　2.2　金相组织

　　采用100%CO2保护气体在焊接过程中飞溅较大，且焊接表面存在明显的缺陷。采用98%Ar+2%O2和80%Ar+20%CO2保护气体焊接的各试样耐磨带表面成形好、无裂纹、无气孔。试样沿轴线解剖，经腐蚀(腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液)后的低倍组织焊缝区、热影响区及母材均未发现裂纹。耐磨带纵向剖面金相组织组成见表3。

　　2.3　保护气体成份与耐磨带堆焊硬度关系

　　采用80%Ar+20%CO2保护气体的焊缝区硬度比采用98%Ar+2%O2保护气体的高，这主要是由于80%Ar+20%CO2保护气体含20%CO2，其渗碳的冶金机理为:在焊接电弧的高温作用下，CO2气体分解成CO和O2，O2又进一步分解为氧原子。因此，在电弧气氛中同时有CO2、CO、O2和原子态氧存在;而CO2和O都具有强烈的氧化性，因此，CO2电弧可以从两个方面使焊接区内的Fe及其他合金元素氧化，一方面和CO2直接作用生成MeO和CO，另一方面和CO2高温分解出的原子氧作用生成MeO;在反应生成物MeO(SiO2、MnO、CO、FeO等)中，SiO2和MnO以熔渣形式浮于熔池表面，FeO则按分配率:一部分以熔渣形式浮出熔池表面，另一部分溶入液态金属中，并会进一步与熔池及熔滴中的合金元素反应使其氧化，溶入熔池中的FeO与C作用，产生CO气体;采用80%Ar+20%CO2保护气体焊接含Cr约10%的Cr合金焊丝KB100时，上述反应生成的CO一部分又反应生成CO2和活性碳原子，另一部分与合金Cr反应生成Cr2O3和活性碳原子。反应生成的活性碳溶于焊缝引起焊缝渗碳，硬度增加。此外，在耐磨带焊接电弧的高温作用下，CO2气体分解成CO和O2，此分解过程是个吸热反应，对电弧的吸热冷却作用较强，同样对熔池吸热冷却快，得到的马氏体较多也会导致焊缝硬度较高。

　　3　结语

　　1)耐磨带采用80%Ar+20%CO2作保护气体焊接仍具有氩弧的特性，比采用100%CO2电弧燃烧稳定，飞溅小，焊缝成形好。

　　2)由于焊接材料kb100耐磨带焊丝化学成份为含Cr合金焊丝，采用80%Ar+20%CO2作保护气体焊接时熔合区硬度比98%Ar+2%O2高，因而耐磨性好。