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40CrMnMo厚壁管的窄间隙脉冲MAG焊接

结合石油钻铤小直径厚壁管结构和40CrMnMo材质的特性,优选了窄间隙脉冲熔化极气体保护焊方法,针对窄间隙焊存在气体保护差与侧壁熔合缺陷的难点,进行了大量的焊接工艺试验,探讨了窄坡口中电弧的气体保护、电弧形态、电弧稳定性、焊缝成形质量,优化了窄间隙连续多层焊接工艺参数.设计了专用窄间隙焊机,其结构简单紧凑可达性好、气体保护效果好,具有易引弧、电弧燃烧稳定、避免侧壁打弧的特性.通过对接头的力学性能试验及金相组织分析结果表明,焊接接头的力学性能完全满足石油钻铤使用的要求.

石油钻采钢管—钻铤需用量大,价格昂贵,在使用过程中管体端部螺纹极易磨损,报废量大,若能修复,可大大降低油田的钻采成本.钻铤的焊接修复是把钻铤端头的连接螺纹部分切去,焊上一段接头,在接头上再车螺纹.钻铤管体与接头的焊接属于小直径厚壁管对接环缝焊.为此研究开发了钻铤窄间隙脉冲熔化极气体保护自动焊技术,研制了专用焊接设备及焊机;设计了焊接工艺和焊接坡口;优化了焊接工艺参数,并对钻铤焊接接头的力学性能进行了深入的分析.该厚壁自动焊接技术成果在石油、地质行业的应用十分看好,是实行修旧利废、节约资金的良好举措,在航空、电力、制造等行业也有广泛的应用前景[1].1试验方法11试验材料试验用钻铤管体材料为进口中碳调质高强钢4145H(相当于国产40CrMnMo),进口国别不同,材质有所差异;所焊工具接头材料为国产4145H,母材化学成分如表1所示.被焊钻铤及接头为内径80mm,壁厚54mm的厚壁管,其中管体长约8m,工具接头长06m,总长9m左右.

从母材的化学成分可知,该材料的碳当量大,具有较强的淬硬倾向,焊接性很差.12焊接工艺方法的优化石油钻铤的结构特点是直径小、管壁厚,目前在厚板焊接中窄间隙焊是高效的方法之一.窄间隙焊是一种以很高的熔敷率在窄小的间隙内完成多层焊缝的焊接,由于窄间隙焊接坡口截面积小所需填充金属少,因此具有成本低生产率高的优点.此外窄间隙焊的焊接热输入低,热影响区窄,加之多层焊的回火作用,使焊接接头的质量提高,尤其是冲击韧性高.目前窄间隙焊所采用的工艺方法有埋弧焊、钨极氩弧焊以及熔化极氩弧焊.由于钻铤的直径小,采用埋弧焊时焊剂和铁水容易流失而不适用;采用钨极氩弧焊时焊接生产效率又太低;而熔化极氩弧焊的生产效率高,但焊接电弧控制有一定的难度,对此采用脉冲电流控制电弧和熔滴过渡,可有效提高电弧的稳定性和降低焊接热输入,同时有利于改善焊接接头的力学性能[2].

13专用窄间隙焊机优化设计

经过多次修改结构形式和试验,研制出了一把结构简单紧凑、使用性好且可伸入窄间隙坡口中的焊机.其喷嘴为椭圆形,在喷嘴长轴方向有两个导流片,在喷嘴外附加一椭圆形水冷保护外套,椭圆形喷嘴和椭圆形水冷保护外套之间有滑动作用.在坡口中焊接时,水冷却的导电杆和导流片伸入坡口中,保护气体由喷嘴流出,靠导流片和坡口侧壁引入焊接区进行保护,随着焊道的增加,焊机提升带动喷嘴导流片和导电杆一起上升,而椭圆形水冷保护外套则沿椭圆喷嘴下滑一直贴着焊件,当接近焊件外表面焊道焊接时,主要靠水冷保护外套取得保护效果.该焊机保护效果良好,无论是底层还是表层焊道的焊接均能有效地保护焊接区域而无气孔产生,焊丝外伸出长度可调,使引弧容易,焊接工艺稳定,更重要的是采用这种焊机提高了窄间隙焊中电弧的稳定性,避免了侧壁打弧现象的发生.

14钻铤焊接工艺及焊接工艺参数的优化

141焊接工艺

1)焊丝选用H10Mn2SiMoVE高强度焊丝,直径为16mm

2)图1为钻铤焊接示意图.将钻铤和接头待焊端加工成U形坡口,钝边留25mm,根据钻铤水眼尺寸选配好耐火土衬垫,在焊接机床上装夹并找正待焊钻铤和接头,调整焊丝伸出长度在1214mm范围内,焊丝伸出长度过长易产生焊接缺陷,易烧导电嘴,引起爆断.

(3)用工频加热器对焊接坡口预热,预热时间为710min,温度达300350℃.

4)焊接前调整焊机下落,使焊丝指向所焊底层位置,焊机水冷保护外罩的下沿与焊件外圆相接触,要求钻铤旋转时,气体保护外罩能沿管体外圆面作平滑均匀运动.焊接时氩气和CO2气体从椭圆喷嘴保护罩流出,钻铤旋转,焊丝匀速送出,焊丝端部与焊接坡口的底层之间引燃电弧后将持续燃烧进行多层焊接,每焊完一层,焊机自动提升3mm,以保证电弧长度不变,直至焊接到表层停止.整个焊接程序自动完成.142焊接工艺参数确定焊接工艺参数主要是基于降低焊接热输入,提高电弧稳定性,改善接头的力学性能和保持焊缝合理成形,焊接工艺参数见表2,保护气体优选了Ar+5%CO2的混合气体,氩气流量为1500L/hCO2流量为100L/h,其中加入少量的CO2气体能够增大熔池中铁水的张力,使焊接过程中焊缝始终保持合理的成形,从而减少焊接缺陷[2].

2钻铤窄间隙焊工艺分析与讨论

21窄间隙焊中电弧失稳现象及控制

窄间隙焊接时,电弧在坡口底部燃烧稳定很重要,但若电弧控制不良,则电弧的阴极斑点可能沿坡口的固体侧壁上移,即在焊丝和侧壁之间形成电弧,这时导电嘴受电弧高温熔化,粘丝使电弧熄灭,焊接过程破坏,出现侧壁打弧现象.控制侧壁打弧的方法,除了坡口宽度不能过窄和焊丝在坡口中要严格对中之外,经过试验,采用气流控制方法最为有效,即从焊机结构上解决,焊机结构中在喷嘴长轴方向有两个导流片可引流气体在坡口的侧壁流动,使侧壁表面上形成近壁层流层,这层近壁层流层对零件侧壁起到良好的隔热、绝缘作用,限制了电弧阴极斑点沿零件侧壁上移,使阴极斑点稳定.试验表明,在一定的坡口尺寸范围内,即使弧长很长,也没有发生侧壁打弧现象.

22根部焊道焊透与成形控制

在多层焊情况下,底层焊道是最关键的焊道.它对整个焊缝后续焊道的良好成形起决定性作用.因此控制根部焊道的焊透及良好成形是控制焊缝质量的最重要环节.由于钻铤钢管的管体长,直径小,焊缝背面无法加工,因而要求根部焊道单面焊双面成形,这对熔化极自动焊来说是很困难的,若采用悬空焊,很难同时兼顾打底焊透而不焊漏,试验中分别选铜、耐火砖和陶瓷作为衬垫,比较而言耐火砖衬垫使用方便,简单低廉.使用后可打碎取出.另外垫块在管体与接头装配时还起定位作用.采取以上措施后,根部焊道绝大部分长度可以焊透,但有时起弧处仍有10mm左右长度不易焊透.原因是起弧时由于零件温度低,焊丝熔化滴落下来时,钝边尚未熔化形成熔池,此处便产生焊不透而且堆高.为此在起弧处加工了12mm15mm左右长的间隙,起弧焊透问题基本解决.焊接过程中,一般采用固定焊接电流,而各层旋转频率由焊工观察电弧掌握,以焊缝两侧保持良好熔化不出现咬边并且焊道表面形状凹月形为适宜.底层焊缝焊接时,由于焊接频率慢、坡口窄,熔化的铁水聚积于电弧下方,影响了电弧对底层固态金属的直接加热,易造成焊道层间未熔合.为此把焊丝沿焊件中心高点向后移动5mm,使铁水在重力及电弧力的作用下流至熔池尾部,以利于电弧直接加热固态金属.

23焊缝成形的电弧工艺参数

控制窄间隙焊接焊缝成形的主要问题是侧壁熔合问题.窄间隙焊中可以利用于侧壁熔合的热量有电弧直接加热,熔池金属的热传导与对流.窄间隙焊时一般电弧直径小于坡口尺寸,即电弧不能直接加热侧壁,为使电弧能够直接加热侧壁,故对焊缝成形采用电弧工艺参数进行控制.首先,采用脉冲焊接电流控制,在脉冲周期由于有脉冲电流的作用,电弧截面积扩展,弧根加热面积扩大,又利于侧壁加热;其次,当工艺参数与坡口尺寸合理匹配时,熔池金属的热传导与对流,电弧的热辐射,可使侧壁良好熔合,获得优质的焊缝成形.工艺参数控制方法是底层焊接时零件温度低,特别是两侧壁温度低,焊道表面成形往往是平的或凸的,易造成第1,第2层间侧壁未焊透.为了控制根部焊道的表面形状,采用略小的电流和较慢的焊接频率,以延长对两侧壁的加热时间,提高侧壁温度,使熔化金属与侧壁的湿润性提高,使根部焊道表面形状为凹月形,避免了第12层间的侧壁未焊透,明显改善了焊缝成形.两层以上各焊道为保证侧壁可靠的熔合,采用大电流、快焊速;当焊至表面层时,为避免多层焊热量的积累使零件温度过热导致焊缝表面出现流淌、咬边、气孔等缺陷,需要降低焊接热输入,采用小电流、快焊速.焊接中采用焊接电流相对稳定不变,而各层焊接频率由焊工观察电弧调节,以焊缝两侧保持良好熔化,熔池表面形状为凹月形为适宜.

3钻铤焊接接头的力学性能

31力学性能

试验钻铤焊接接头焊后即用石棉被包裹焊区,保温4h以上;焊接10h后完全冷却下来,经超声探伤检查焊缝合格,用工频加热器进行550600℃回火处理.按国家标准GB/T2282002《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》及国家标准GB/T2292002《焊接接头冲击试验方法》的规定,对钻铤焊接接头加工性能试件,经在UH-F500KNI型试验机上做拉伸试验获得的性能数据见表3.经在JBZ-300型试验机上做冲击试验获得的性能数据见表4.试验是在室温下进行的.

32力学性能

试验结果分析冲击值出现较大分散的原因主要有以下两点.(1)冲击值对试件缺口的粗糙度及尺寸精度比较敏感而出现数据分散现象.(2)焊缝及热影响区是在非平衡状态下形成的连续变化的非均匀组织,因此同批试样、缺口试样误差均可导致冲击值的较大变化.例如,焊缝中心的合金元素偏析区,其冲击值要明显低于焊缝其它区域.

4结论

1)针对钻铤的材质和结构特性,优选窄间隙脉冲熔化极气体保护焊方案是合理的;研制的专用窄间隙焊体机结构简单可达性好,伸入到窄间隙坡口,具有气体保护效果好、易引弧、电弧燃烧稳定、避免侧壁打弧的特性.(2)对小直径厚壁管焊接时,合理的优化坡口尺寸及控制各层焊接工艺,可以获得满意的焊缝成形和良好的焊接质量.(3)修复焊后的石油钻铤焊接接头具有较好的综合力学性能,能够满足井下作业的要求.

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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