油管掛上下密封環(huán)與掛體焊接缺陷分析及解決措施

王樹立，姜彬，范維巍

（大慶油田裝備制造集團(tuán) 抽油機(jī)公司乘風(fēng)鉚焊廠，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

伴隨著石油不斷地開采，KY24.5/65 采油井口裝置得到了廣泛的應(yīng)用。但該裝置中油管掛上下密封環(huán)（73 冷軋銅條10×10 mm）與掛體（35CrMo）焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)未焊透、氣孔和熱裂紋等缺陷，致使上下密封環(huán)與掛體間不能形成永久性的焊接接頭。在焊后加工上下密封環(huán)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)上下密封環(huán)與掛體間相對(duì)松動(dòng)。導(dǎo)致整套裝置密封效果不理想，性能不太穩(wěn)定。為解決此問題，本文提出了相應(yīng)的解決措施，確保了該裝置性能安全可靠，深受用戶好評(píng)。

1 焊接接頭缺陷原因分析及解決措施

如圖1，原設(shè)計(jì)焊接規(guī)范：坡口間隙為3 mm；采用焊條T107，焊條直徑4.0 mm，電流110～150 A。

圖1 油管掛（KY24.5/65 采油井口裝置）

1.1 未焊透原因分析及解決措施

內(nèi)在因素：由于銅的熱導(dǎo)率在20℃時(shí)比鐵大7 倍多，1000℃時(shí)大11 倍多，焊接熱量迅速?gòu)募訜釁^(qū)傳出去，使加熱范圍擴(kuò)大，焊件越厚，散熱越嚴(yán)重。焊接區(qū)難以達(dá)到熔化溫度，所以母材和填充金屬難熔合。

外在因素：原設(shè)計(jì)熱輸入功率和坡口間隙過小，坡口內(nèi)含有雜物、銅屑、油污等容易造成未熔合及未焊透和夾渣現(xiàn)象。

解決措施如下：

1）焊接規(guī)范的調(diào)整。（1）增大坡口間隙，坡口間間隙由3 mm 調(diào)整為15 mm；（2）增大焊接電流，如表1 所示。

表1 焊接電流的調(diào)整

2）焊前準(zhǔn)備。（1）預(yù)熱400～500 ℃；（2）焊前清除坡口內(nèi)雜物銅屑油污等。

3）操作技術(shù)。在坡口中間引弧，然后往左邊移到根部銅環(huán)（上下密封環(huán)）與機(jī)體（掛體）熔合后快速把弧引向右邊，待根部熔化后再把熔池稱向中間，做短弧直線運(yùn)條，直至把坡口的間隙填滿。通過增大坡口間隙、增大電流提高熱輸入率和焊前預(yù)熱來彌補(bǔ)嚴(yán)重的熱散失；嚴(yán)格控制操作技術(shù)；焊前清除坡口內(nèi)雜物銅屑油污等，這些可使熔敷金屬與機(jī)體能夠充分熔合焊透無夾渣，最終獲得牢固的焊接接頭。

1.2 氣孔形成原因分析

內(nèi)在因素：從冶金特性方面，焊接時(shí)銅中存在溶解性氣體和氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。氫在銅中的溶解度與溫度有關(guān)，隨著溫度升降而增減，當(dāng)銅處于液—固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，析出大量的擴(kuò)散氫；熔池中的Cu2O 在凝固時(shí)因不溶于銅而析出，便與氫或CO 反應(yīng)生成水蒸氣或CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)氣體，因不溶于銅而逸出。

Cu2O+CO→2Cu+CO2↑，

2H+Cu2O→2Cu+H2O↑。

從物理特性方面，銅的熱導(dǎo)率比鐵大7 倍以上，焊縫金屬的結(jié)晶速度很大，在這種情況下CO2、H2O 的上浮和擴(kuò)散逸出極為困難，常常是來不及逸出和上浮便形成了氣孔。

外在因素：焊接電源、焊條本身偏心、藥皮脫落、坡口含有水油雜物以及焊條烘干溫度和保溫時(shí)間不夠等都會(huì)導(dǎo)致熔池保護(hù)效果不好，形成氣孔缺陷。

解決措施：

1）焊接規(guī)范。選擇焊接電源為輸出電流平滑、變化幅度小的硅整流直流逆變焊機(jī)。

2）焊前準(zhǔn)備：（1）預(yù)熱400～500 ℃左右；（2）焊條要在350～400 ℃下烘干1～2 h，不能偏心和藥皮不能有脫落現(xiàn)象；（3）清理坡口處的水、油污等雜質(zhì)。

3）操作技術(shù)：（1）采用短弧直線用條操作方式施焊；（2）收弧時(shí)采用點(diǎn)弧或來回?cái)[動(dòng)2～3 次填滿弧坑；（3）適當(dāng)調(diào)整正極接線位置。

采用直流逆變電源可解決因T107 焊條藥皮中含有電離電位較高的氟化物造成的電弧氣氛不穩(wěn)定，以及熔滴過渡時(shí)引起的電流波動(dòng)。采用直流逆變電源和操作中短弧施焊，以及藥皮不能有脫落均有利于保護(hù)高溫沸騰下的熔池不受外界空氣的侵入。焊前預(yù)熱可延長(zhǎng)熔池存在時(shí)間，使CO2和H2O 氣體易于逸出；烘干焊條和清理坡口水、油污主要控氫；操作中點(diǎn)弧和擺填滿弧坑有利于控制收弧時(shí)氣孔產(chǎn)生；調(diào)整正極接線位置和焊條不能偏心主要是防止因磁偏吹所產(chǎn)生的氣孔。采取這些措施可控制氣孔的形成。

1.3 產(chǎn)生熱裂紋原因分析

內(nèi)在因素：銅在液態(tài)下易氧化生成氧化亞銅，它溶于液態(tài)銅而不溶于固態(tài)銅，冷凝過程中與銅生成熔點(diǎn)略低于銅的Cu2O+Cu 共晶；銅中若有Bi 和Pb 雜質(zhì)，在熔池結(jié)晶過程中也生成低熔點(diǎn)共晶物Cu+Bi、Cu+Pb，這些共晶物分別在焊縫熱影響區(qū)的低熔共晶物重新熔化，在焊接應(yīng)力作用下，在焊縫或熱影響區(qū)上就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。又因銅和銅合金在加熱過程中無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，晶粒易長(zhǎng)大，有利于低熔點(diǎn)共晶薄膜的形成，從而增大了熱裂傾向。

外在因素：密封環(huán)或掛體接頭處，以及焊條中含有S、Pb、Bi 等雜質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋。

解決措施：1）嚴(yán)格控制上下密封環(huán)、掛體及焊條中S、Pb、Bi 雜質(zhì)的含量；2）焊前嚴(yán)格清除接頭雜質(zhì)。通過控制S、Pb、Bi 的含量，降低熔池結(jié)晶過程中低熔點(diǎn)共晶物Cu+Bi、Cu+Pb 的形成，從而來控制熱裂紋產(chǎn)生。

2 最佳施焊方案

為了使油管掛上下密封環(huán)與掛體之間能夠得到一個(gè)理想強(qiáng)度永久性的焊接接頭，保證該裝置密封性能穩(wěn)定，最終最得出一個(gè)最佳施焊方案。

2.1 焊前準(zhǔn)備

1）接頭預(yù)熱400～500 ℃左右。

2）焊條要在350～400 ℃下烘干1～2 h，放在保溫筒內(nèi)隨用隨取，不能有偏心和藥皮脫落現(xiàn)象。

3）徹底清除接頭處的水、油污等雜質(zhì)。

4）嚴(yán)格控制焊材及母材中S、Pb、Bi 雜質(zhì)的含量。

2.2 焊接規(guī)范

焊接規(guī)范如表2 所示。其次是要選擇焊接電源為輸出電流平滑、變化幅度小的硅整流直流逆變焊機(jī)。

表2 焊接規(guī)范

2.3 操作技術(shù)

1）在坡口中間引弧，然后往左邊移到根部銅環(huán)（上下密封環(huán)）與機(jī)體（掛體）熔合后再快速把弧引向右邊，待根部熔化后再把熔池移向中間，做短弧直線運(yùn)條，直至把坡口的間隙填滿。如圖3 所示，焊條運(yùn)行軌跡：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩。其中，①②③為打底焊層，④⑤為填充焊層，⑥⑦⑧⑨為蓋面焊層，①為引弧點(diǎn)，⑩為收弧點(diǎn)。

圖2 油管掛接頭坡口型式

圖3 焊條運(yùn)行軌跡及焊道層

2）收弧時(shí)采用點(diǎn)弧或來回?cái)[動(dòng)2～3 次填滿弧坑。

3）適當(dāng)調(diào)整正極接線位置，控制磁偏吹現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本文對(duì)油管掛體與上下密封環(huán)焊接過程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了理論與實(shí)踐分析。通過改變焊接規(guī)范與操作技術(shù)，得到了實(shí)際應(yīng)用中所需要的理想強(qiáng)度的焊接接頭，從而滿足了采油作業(yè)需求。

［1］陳祝年.焊接工程師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］俞尚知.焊接工藝人員手冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1991.