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  • 40CrMnMo厚壁管的窄間隙脈沖MAG焊接

    結合石油鉆鋌小直徑厚壁管結構和40CrMnMo材質的特性,優選了窄間隙脈沖熔化極氣體保護焊方法,針對窄間隙焊存在氣體保護差與側壁熔合缺陷的難點,進行了大量的焊接工藝試驗,探討了窄坡口中電弧的氣體保護、電弧形態、電弧穩定性、焊縫成形質量,優化了窄間隙連續多層焊接工藝參數.設計了專用窄間隙焊機,其結構簡單緊湊可達性好、氣體保護效果好,具有易引弧、電弧燃燒穩定、避免側壁打弧的特性.通過對接頭的力學性能試驗及金相組織分析結果表明,焊接接頭的力學性能完全滿足石油鉆鋌使用的要求.

    石油鉆采鋼管—鉆鋌需用量大,價格昂貴,在使用過程中管體端部螺紋極易磨損,報廢量大,若能修復,可大大降低油田的鉆采成本.鉆鋌的焊接修復是把鉆鋌端頭的連接螺紋部分切去,焊上一段接頭,在接頭上再車螺紋.鉆鋌管體與接頭的焊接屬于小直徑厚壁管對接環縫焊.為此研究開發了鉆鋌窄間隙脈沖熔化極氣體保護自動焊技術,研制了專用焊接設備及焊機;設計了焊接工藝和焊接坡口;優化了焊接工藝參數,并對鉆鋌焊接接頭的力學性能進行了深入的分析.該厚壁自動焊接技術成果在石油、地質行業的應用十分看好,是實行修舊利廢、節約資金的良好舉措,在航空、電力、制造等行業也有廣泛的應用前景[1].1試驗方法11試驗材料試驗用鉆鋌管體材料為進口中碳調質高強鋼4145H(相當于國產40CrMnMo),進口國別不同,材質有所差異;所焊工具接頭材料為國產4145H,母材化學成分如表1所示.被焊鉆鋌及接頭為內徑80mm,壁厚54mm的厚壁管,其中管體長約8m,工具接頭長06m,總長9m左右.

    從母材的化學成分可知,該材料的碳當量大,具有較強的淬硬傾向,焊接性很差.12焊接工藝方法的優化石油鉆鋌的結構特點是直徑小、管壁厚,目前在厚板焊接中窄間隙焊是高效的方法之一.窄間隙焊是一種以很高的熔敷率在窄小的間隙內完成多層焊縫的焊接,由于窄間隙焊接坡口截面積小所需填充金屬少,因此具有成本低生產率高的優點.此外窄間隙焊的焊接熱輸入低,熱影響區窄,加之多層焊的回火作用,使焊接接頭的質量提高,尤其是沖擊韌性高.目前窄間隙焊所采用的工藝方法有埋弧焊、鎢極氬弧焊以及熔化極氬弧焊.由于鉆鋌的直徑小,采用埋弧焊時焊劑和鐵水容易流失而不適用;采用鎢極氬弧焊時焊接生產效率又太低;而熔化極氬弧焊的生產效率高,但焊接電弧控制有一定的難度,對此采用脈沖電流控制電弧和熔滴過渡,可有效提高電弧的穩定性和降低焊接熱輸入,同時有利于改善焊接接頭的力學性能[2].

    13專用窄間隙焊機優化設計

    經過多次修改結構形式和試驗,研制出了一把結構簡單緊湊、使用性好且可伸入窄間隙坡口中的焊機.其噴嘴為橢圓形,在噴嘴長軸方向有兩個導流片,在噴嘴外附加一橢圓形水冷保護外套,橢圓形噴嘴和橢圓形水冷保護外套之間有滑動作用.在坡口中焊接時,水冷卻的導電桿和導流片伸入坡口中,保護氣體由噴嘴流出,靠導流片和坡口側壁引入焊接區進行保護,隨著焊道的增加,焊機提升帶動噴嘴導流片和導電桿一起上升,而橢圓形水冷保護外套則沿橢圓噴嘴下滑一直貼著焊件,當接近焊件外表面焊道焊接時,主要靠水冷保護外套取得保護效果.該焊機保護效果良好,無論是底層還是表層焊道的焊接均能有效地保護焊接區域而無氣孔產生,焊絲外伸出長度可調,使引弧容易,焊接工藝穩定,更重要的是采用這種焊機提高了窄間隙焊中電弧的穩定性,避免了側壁打弧現象的發生.

    14鉆鋌焊接工藝及焊接工藝參數的優化

    141焊接工藝

    1)焊絲選用H10Mn2SiMoVE高強度焊絲,直徑為16mm

    2)圖1為鉆鋌焊接示意圖.將鉆鋌和接頭待焊端加工成U形坡口,鈍邊留25mm,根據鉆鋌水眼尺寸選配好耐火土襯墊,在焊接機床上裝夾并找正待焊鉆鋌和接頭,調整焊絲伸出長度在1214mm范圍內,焊絲伸出長度過長易產生焊接缺陷,易燒導電嘴,引起爆斷.

    (3)用工頻加熱器對焊接坡口預熱,預熱時間為710min,溫度達300350℃.

    4)焊接前調整焊機下落,使焊絲指向所焊底層位置,焊機水冷保護外罩的下沿與焊件外圓相接觸,要求鉆鋌旋轉時,氣體保護外罩能沿管體外圓面作平滑均勻運動.焊接時氬氣和CO2氣體從橢圓噴嘴保護罩流出,鉆鋌旋轉,焊絲勻速送出,焊絲端部與焊接坡口的底層之間引燃電弧后將持續燃燒進行多層焊接,每焊完一層,焊機自動提升3mm,以保證電弧長度不變,直至焊接到表層停止.整個焊接程序自動完成.142焊接工藝參數確定焊接工藝參數主要是基于降低焊接熱輸入,提高電弧穩定性,改善接頭的力學性能和保持焊縫合理成形,焊接工藝參數見表2,保護氣體優選了Ar+5%CO2的混合氣體,氬氣流量為1500L/h,CO2流量為100L/h,其中加入少量的CO2氣體能夠增大熔池中鐵水的張力,使焊接過程中焊縫始終保持合理的成形,從而減少焊接缺陷[2].

    2鉆鋌窄間隙焊工藝分析與討論

    21窄間隙焊中電弧失穩現象及控制

    窄間隙焊接時,電弧在坡口底部燃燒穩定很重要,但若電弧控制不良,則電弧的陰極斑點可能沿坡口的固體側壁上移,即在焊絲和側壁之間形成電弧,這時導電嘴受電弧高溫熔化,粘絲使電弧熄滅,焊接過程破壞,出現側壁打弧現象.控制側壁打弧的方法,除了坡口寬度不能過窄和焊絲在坡口中要嚴格對中之外,經過試驗,采用氣流控制方法最為有效,即從焊機結構上解決,焊機結構中在噴嘴長軸方向有兩個導流片可引流氣體在坡口的側壁流動,使側壁表面上形成近壁層流層,這層近壁層流層對零件側壁起到良好的隔熱、絕緣作用,限制了電弧陰極斑點沿零件側壁上移,使陰極斑點穩定.試驗表明,在一定的坡口尺寸范圍內,即使弧長很長,也沒有發生側壁打弧現象.

    22根部焊道焊透與成形控制

    在多層焊情況下,底層焊道是最關鍵的焊道.它對整個焊縫后續焊道的良好成形起決定性作用.因此控制根部焊道的焊透及良好成形是控制焊縫質量的最重要環節.由于鉆鋌鋼管的管體長,直徑小,焊縫背面無法加工,因而要求根部焊道單面焊雙面成形,這對熔化極自動焊來說是很困難的,若采用懸空焊,很難同時兼顧打底焊透而不焊漏,試驗中分別選銅、耐火磚和陶瓷作為襯墊,比較而言耐火磚襯墊使用方便,簡單低廉.使用后可打碎取出.另外墊塊在管體與接頭裝配時還起定位作用.采取以上措施后,根部焊道絕大部分長度可以焊透,但有時起弧處仍有10mm左右長度不易焊透.原因是起弧時由于零件溫度低,焊絲熔化滴落下來時,鈍邊尚未熔化形成熔池,此處便產生焊不透而且堆高.為此在起弧處加工了12mm15mm左右長的間隙,起弧焊透問題基本解決.焊接過程中,一般采用固定焊接電流,而各層旋轉頻率由焊工觀察電弧掌握,以焊縫兩側保持良好熔化不出現咬邊并且焊道表面形狀凹月形為適宜.底層焊縫焊接時,由于焊接頻率慢、坡口窄,熔化的鐵水聚積于電弧下方,影響了電弧對底層固態金屬的直接加熱,易造成焊道層間未熔合.為此把焊絲沿焊件中心高點向后移動5mm,使鐵水在重力及電弧力的作用下流至熔池尾部,以利于電弧直接加熱固態金屬.

    23焊縫成形的電弧工藝參數

    控制窄間隙焊接焊縫成形的主要問題是側壁熔合問題.窄間隙焊中可以利用于側壁熔合的熱量有電弧直接加熱,熔池金屬的熱傳導與對流.窄間隙焊時一般電弧直徑小于坡口尺寸,即電弧不能直接加熱側壁,為使電弧能夠直接加熱側壁,故對焊縫成形采用電弧工藝參數進行控制.首先,采用脈沖焊接電流控制,在脈沖周期由于有脈沖電流的作用,電弧截面積擴展,弧根加熱面積擴大,又利于側壁加熱;其次,當工藝參數與坡口尺寸合理匹配時,熔池金屬的熱傳導與對流,電弧的熱輻射,可使側壁良好熔合,獲得優質的焊縫成形.工藝參數控制方法是底層焊接時零件溫度低,特別是兩側壁溫度低,焊道表面成形往往是平的或凸的,易造成第1,第2層間側壁未焊透.為了控制根部焊道的表面形狀,采用略小的電流和較慢的焊接頻率,以延長對兩側壁的加熱時間,提高側壁溫度,使熔化金屬與側壁的濕潤性提高,使根部焊道表面形狀為凹月形,避免了第1,2層間的側壁未焊透,明顯改善了焊縫成形.兩層以上各焊道為保證側壁可靠的熔合,采用大電流、快焊速;當焊至表面層時,為避免多層焊熱量的積累使零件溫度過熱導致焊縫表面出現流淌、咬邊、氣孔等缺陷,需要降低焊接熱輸入,采用小電流、快焊速.焊接中采用焊接電流相對穩定不變,而各層焊接頻率由焊工觀察電弧調節,以焊縫兩側保持良好熔化,熔池表面形狀為凹月形為適宜.

    3鉆鋌焊接接頭的力學性能

    31力學性能

    試驗鉆鋌焊接接頭焊后即用石棉被包裹焊區,保溫4h以上;焊接10h后完全冷卻下來,經超聲探傷檢查焊縫合格,用工頻加熱器進行550600℃回火處理.按國家標準GB/T2282002《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》及國家標準GB/T2292002《焊接接頭沖擊試驗方法》的規定,對鉆鋌焊接接頭加工性能試件,經在UH-F500KNI型試驗機上做拉伸試驗獲得的性能數據見表3.經在JBZ-300型試驗機上做沖擊試驗獲得的性能數據見表4.試驗是在室溫下進行的.

    32力學性能

    試驗結果分析沖擊值出現較大分散的原因主要有以下兩點.(1)沖擊值對試件缺口的粗糙度及尺寸精度比較敏感而出現數據分散現象.(2)焊縫及熱影響區是在非平衡狀態下形成的連續變化的非均勻組織,因此同批試樣、缺口試樣誤差均可導致沖擊值的較大變化.例如,焊縫中心的合金元素偏析區,其沖擊值要明顯低于焊縫其它區域.

    4結論

    1)針對鉆鋌的材質和結構特性,優選窄間隙脈沖熔化極氣體保護焊方案是合理的;研制的專用窄間隙焊體機結構簡單可達性好,伸入到窄間隙坡口,具有氣體保護效果好、易引弧、電弧燃燒穩定、避免側壁打弧的特性.(2)對小直徑厚壁管焊接時,合理的優化坡口尺寸及控制各層焊接工藝,可以獲得滿意的焊縫成形和良好的焊接質量.(3)修復焊后的石油鉆鋌焊接接頭具有較好的綜合力學性能,能夠滿足井下作業的要求.

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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