摩擦焊機(jī)在抽油桿生產(chǎn)中的應(yīng)用

中國石油玉門油田分公司機(jī)械廠 （甘肅酒泉 735009 ） 張小軍 張玉泉 夏 莉

1.概述

抽油桿是抽油設(shè)備中的細(xì)長桿件，它上接抽油機(jī)驢頭，下接抽油泵柱塞，起到將抽油機(jī)動(dòng)力傳遞給抽油泵的作用。我廠生產(chǎn)的抽油桿長度為6～10m，材質(zhì)為35CrMo合金鋼。由于桿件較長，用車床車削螺紋比較困難，且生產(chǎn)效率低，因此經(jīng)過調(diào)研論證引進(jìn)了技術(shù)比較成熟的焊接方法——摩擦焊。

摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）接頭質(zhì)量高 由于摩擦焊屬于固態(tài)焊接，正常情況下，結(jié)合面不發(fā)生熔化，焊合區(qū)金屬為鍛造組織，所以焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣及裂紋等焊接缺陷，焊接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)大于熔焊、釬焊的強(qiáng)度，達(dá)到甚至超過母材的強(qiáng)度。焊接過程由機(jī)器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。

（2）適合異種材質(zhì)連接 一般來說，凡是可進(jìn)行鍛造的金屬材料都能進(jìn)行摩擦焊接。如鋼和純銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等異種金屬的焊接。

（3）生產(chǎn)效率高 對(duì)焊件的準(zhǔn)備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動(dòng)化，可在流水線上生產(chǎn)。每件焊接時(shí)間以秒計(jì)，一般只需幾秒至幾十秒，是其他焊接方法所不能相比的。

（4）尺寸精度高 專用摩擦焊機(jī)可保證焊后的偏心度為±0.2mm。

（5）清潔無污染 工作時(shí)不產(chǎn)生煙霧及有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線等。

（6）節(jié)能降耗 所需功率僅是傳統(tǒng)焊接工藝的1/5，不需焊條、焊劑、釬料和焊接用保護(hù)氣體，不需添加金屬，同時(shí)不需消耗電極。

基于摩擦焊具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被譽(yù)為綠色焊接技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，摩擦焊技術(shù)在國內(nèi)目前已經(jīng)具備了包括工藝、設(shè)備、控制及檢測(cè)等一整套完備的專業(yè)技術(shù)規(guī)模，并且在基礎(chǔ)理論研究上形成了一定的獨(dú)立體系。

2.摩擦焊機(jī)在抽油桿生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

（1）抽油桿傳統(tǒng)生產(chǎn)過程 抽油桿的傳統(tǒng)生產(chǎn)工序：①將10m左右的桿料在專用加熱爐里加熱到可鍛造的組織，然后桿料兩端在鍛壓設(shè)備上鍛出圖1所示的形狀。②鍛造好的桿料進(jìn)行下一步工序——熱處理，首先在淬火爐里加熱到相變點(diǎn)以上的某一溫度后，保溫一段時(shí)間，然后放入油里進(jìn)行急劇冷卻；進(jìn)而在回火爐里繼續(xù)加熱到相變點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一段時(shí)間，最后出爐在空氣中冷卻。③將冷卻后的桿料在拉伸機(jī)上拉直，然后將拉直的桿料在車床上車削出如圖2所示的連接螺紋，最后進(jìn)行噴漆、包裝。

圖1 抽油桿鍛造端頭

圖2 抽油桿連接螺紋

根據(jù)上述生產(chǎn)過程，傳統(tǒng)抽油桿生產(chǎn)工序：鍛造→淬火→回火→拉伸→車螺紋。其生產(chǎn)過程勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，在鍛造工序中一根桿料至少需2～3人才能夠完成加工操作；而加工螺紋工序中由于桿料較長，車削時(shí)桿料容易偏心發(fā)生彎曲現(xiàn)象，所以需要好幾個(gè)扶正工裝夾具，并且一臺(tái)加工車床和扶正工裝夾具在一起占用工房場(chǎng)地較大，上料下料費(fèi)時(shí)費(fèi)人費(fèi)力，生產(chǎn)效率低。

（2）焊接抽油桿生產(chǎn)過程 焊接式實(shí)心抽油桿的生產(chǎn)過程：①將1m左右的桿接頭用棒料在專用加熱爐里加熱到可鍛造的組織，然后棒料的一端在鍛壓設(shè)備上鍛出圖1所示的形狀。②鍛造好的桿接頭棒料和用于焊接的8m左右的桿體棒料進(jìn)行淬火和回火熱處理。③將焊接用桿體棒料在拉伸機(jī)上拉直。④鍛造好的桿接頭棒料在車床上車削出如圖2所示的連接螺紋。最后，將桿接頭和桿體采用摩擦焊焊接成如圖3所示的焊接式實(shí)心抽油桿。

圖3 焊接式實(shí)心抽油桿

焊接式實(shí)心抽油桿是先將經(jīng)過熱處理并且精加工的桿接頭和經(jīng)過熱處理的桿體焊接在一起，使其結(jié)構(gòu)形狀和規(guī)格尺寸符合美國石油學(xué)會(huì)（API）抽油桿標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)抽油桿不同鋼級(jí)的要求，焊接式抽油桿的桿頭采用合金鋼，桿體采用普通碳素鋼，或者桿頭采用高強(qiáng)度合金鋼，桿體采用低合金鋼。由于抽油桿受力最大處和疲勞強(qiáng)度的極限破壞都是在桿頭的鍛造部位和螺紋接頭部位，焊接抽油桿桿頭的鍛造部位和螺紋接頭部位采用了比桿體較好的合金鋼材質(zhì)，而桿接頭部位的質(zhì)量僅占整根抽油桿質(zhì)量的5%左右，所以大大節(jié)省了優(yōu)質(zhì)合金鋼。同時(shí)，由于桿接頭采用的鋼材強(qiáng)度高于桿體的鋼材強(qiáng)度，因此桿接頭尺寸規(guī)格可以比桿體低一級(jí)，這樣既節(jié)省了大量優(yōu)質(zhì)合金鋼，又可以使油管內(nèi)抽油桿接箍與油管內(nèi)壁之間的環(huán)形面積增加13%～14%，減少了井液的流動(dòng)阻力，有利于井液的舉升，并減少了抽油機(jī)的光桿荷載，從而減少了作業(yè)費(fèi)用。另外，根據(jù)抽油桿的工作條件要求，其桿接頭和桿體材料與熱處理可以相同也可以不同，這種制造方法與傳統(tǒng)抽油桿的制造方法相比，不僅降低了生產(chǎn)制造成本，而且節(jié)約了能源和材料。

3.抽油桿焊接接頭的缺陷及檢測(cè)

（1）接頭缺陷 摩擦焊是固相連接，接頭中不會(huì)出現(xiàn)與熔化、凝固有關(guān)的缺陷，但有時(shí)如果實(shí)心抽油桿桿接頭和桿體材料的焊接性能較差、焊接參數(shù)選擇不當(dāng)或表面清理不干凈時(shí)，在桿接頭和桿體的連接面上會(huì)出現(xiàn)一些“非理想結(jié)合”的缺陷，如接頭偏心、焊接裂紋、接頭組織扭曲、未焊合及氧化灰斑等，這些缺陷一般具有平面彌散分布的特征。

第一，接頭偏心。桿接頭和桿體在焊接過程中由于摩擦焊機(jī)剛度較低，夾頭偏心、桿接頭和桿體端面傾斜或桿體桿頭在夾頭中伸出量太長等原因造成。

第二，焊接裂紋。桿接頭和桿體在焊接接頭上的裂紋主要出現(xiàn)在焊合區(qū)邊緣飛邊缺口部位、焊合區(qū)內(nèi)部及飛邊上，它的產(chǎn)生與材料的淬硬性及焊接參數(shù)有關(guān)。

第三，未焊合一般產(chǎn)生于抽油桿桿接頭和桿體的焊合面上，其表面宏觀特征呈氧化顏色。它的產(chǎn)生與摩擦加熱不足、頂鍛力過小及原始表面狀態(tài)等因素有關(guān)。

第四，氧化灰斑是一種焊接缺陷在斷口上的表現(xiàn)形式，它在桿體和桿接頭的焊接面斷口一般表現(xiàn)為暗灰色平板狀，無金屬光澤，為近似圓形、橢圓形或長條形，與周圍金屬有明顯的不同，具有明顯的沿?cái)嗝婧缚p斷裂的特征。這是由于焊接前桿接頭和桿體焊接面清理不干凈，在焊接過程中焊機(jī)振動(dòng)、壓力過小等原因造成。

（2）無損檢測(cè) 抽油桿焊接接頭中出現(xiàn)非理想結(jié)合的缺陷時(shí)，會(huì)使焊接接頭的抗斷能力下降幾倍甚至幾十倍。例如當(dāng)氧化灰斑面積為20%～30%時(shí)，焊合區(qū)沖擊功可下降70%～80%，疲勞壽命下降25%～50%。因此，對(duì)于抽油桿焊接接頭進(jìn)行無損檢測(cè)，是保證抽油桿的性能與安全非常重要的環(huán)節(jié)。由于摩擦焊焊接缺陷具有二維、彌散和近似表面分布的特征，故應(yīng)采用高聚焦性能和高分辨率的無損檢測(cè)技術(shù)。目前我廠采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，再輔以視覺檢查來完成焊接抽油桿的檢測(cè)。

4.結(jié)語

摩擦焊技術(shù)在石油裝備制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，很多適合摩擦焊生產(chǎn)的產(chǎn)品都相繼采用了這項(xiàng)焊接技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。摩擦焊技術(shù)在抽油桿焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用不僅降低了我廠的制造、投資和生產(chǎn)成本，而且節(jié)約了能源和材料。