高壓水泥頭焊接工藝研究

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1.焊接難點分析

35CrMo鋼屬低合金高強度鋼，其碳當量＞0.60%，鋼材的硬傾向較強，致使焊接時熱影響區(qū)淬硬傾向增大，焊接性較差。而且焊接時接頭內(nèi)氫含量較多，極易產(chǎn)生冷裂紋。由于該產(chǎn)品試壓要達到105MPa，屬于高承壓容器，且工件連接處為復雜的相貫線，因此焊接時要采用多層多道焊接的方法進行，以保證焊接強度。多層多道焊接一方面熱輸入大，熔池溫度過高，高溫停留時間過長，在冷卻過程中均易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；另一方面，筒體以及由壬厚度相差懸殊，受熱不均勻，致使焊接后殘余應力很大。

2.焊接工藝

（1）焊接設備采用唐山松下YC—400px焊機。（2）焊接材料根據(jù)焊接材料選用手冊，采用天津大橋焊材集團公司的E8515—G（J857Cr）焊條。J857Cr焊條屬低氫鈉型藥皮的低合金高強鋼焊條，采用直流反接，可全位置焊接，規(guī)格為φ3.2mm和φ4mm，其化學成分如表3所示。（3）焊接接頭坡口設計據(jù)設計圖樣顯示，筒體與由壬組裝位置及坡口設計如附圖所示。筒體根部不開坡口，由壬被焊接端部車削加工一斜坡，筒體與由壬焊接坡口采用類似45°±2°單V形坡口。該坡口形式開口較大，有利于焊接過程中擴散氫的逸出和脫渣，也可使根部很好熔合。清磨焊縫缺陷及飛濺時，使用金屬內(nèi)磨頭或中厚切片，盡量不用厚磨片。（4）焊前預熱為了防止局部加熱引起的高應力以及熱裂紋，在焊前要對筒體和由壬進行預熱。首先將由壬安裝到筒體上（見附圖），進行定位焊，使兩者固定；然后整體進入回火爐預熱至250℃。（5）焊道間溫度控制焊道間溫度控制在90~110℃，焊接過程中紅外測溫儀監(jiān)控，當焊縫溫度低于要求時，即用氧乙炔中性焰加熱至規(guī)定溫度后再焊接。（6）中斷焊接保溫由于焊接5個由壬，焊接時間長，無法一次性焊完。中間停止焊接操作時，應將工件放入回火爐持續(xù)保溫，保溫溫度也為250℃。一方面為了防止急速冷卻引起的裂紋，另一方面可以為未焊接的由壬預熱。（7）焊接參數(shù)該焊接采用打底層、填充層、蓋面層三層焊接的方式。其焊接參數(shù)如表4所示。（8）焊后熱處理此筒體焊前已做過調(diào)質(zhì)處理，焊后筒體置于回火爐內(nèi)溫度緩升至420℃，應力釋放時間8h，隨爐冷卻完成焊后熱處理。整體高溫回火消除焊接殘余應力效果最好，可將80%~90%以上的焊接殘余應力消除掉。

3.焊接操作及注意事項

（1）焊接準備①焊前焊條須經(jīng)350℃烘干保溫1h，隨用隨取，用不完可重復烘干，但重復烘干不得超過三次。②不銹鋼刷或氧乙炔中性火焰清理焊縫附近50mm內(nèi)的毛刺、鐵銹及油污等雜物。③由壬定位組焊于筒體上，定位焊縫長度不短于20mm，焊縫的起弧點與熄弧點與母材圓滑過渡。④筒體工件整體進入高溫回火爐預熱至250℃。（2）焊接操作注意事項第一，引弧和熄弧處理。鑒于低氫鈉型藥皮焊條在起弧處易產(chǎn)生密集氣孔的特性，宜在起弧點后15～20mm處劃弧方式引燃電弧，待電弧穩(wěn)定燃燒后再前移至起弧點處焊接；熄弧時采用回焊法填滿弧坑，避免引起收弧裂紋。第二，焊接角度。盡可能使焊縫熔池處于平焊位置冷卻成形，平焊可使焊工在焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)適度增大焊接電流，有效減少夾渣缺陷產(chǎn)生幾率，特別是打底層間隙較小處，保證電弧穿透力。第三，層間處理及道間溫度。采用小電流、短電弧、不擺動或輕微擺動的多層多道焊，打底層采用φ3.2mm焊條適當增大電流，窄道快速焊；填充層采用φ4.0mm焊條不擺動或輕微擺動，使焊道平整并充分熔合；最后一道采用φ3.2mm焊條可有效消除咬邊缺陷。每層焊道必須清理干凈，尤其接頭及焊道兩側(cè)，并注意防止夾渣、未熔合等缺陷的產(chǎn)生。焊道單層厚度≤4mm，每層接頭應錯開10～15mm，一為便于清渣和避免死角，二可使焊接應力不至過于集中。道間溫度不可過高（以90～110℃為宜），相對焊接熱輸入，道間溫度對熔敷金屬低溫性能影響更大，應對道間溫度嚴格控制。第四，焊接次序及緩冷措施。由于此工件焊接過程中存在視線受阻的實際情形，所以可采用先焊接半圈，再焊接另半圈的方法。但每一單道焊縫必須全部焊接完成后，才可以進行下道焊縫焊接。單道焊縫焊接過程不得無故中斷，如遇特殊情況應采取后熱保溫措施，達到焊接條件后方可再行焊接。鑒于由壬有5個，可采取交互焊接方式：即由壬1和由壬2交互焊接，等全部焊完，使用巖棉保溫被緩冷；然后再焊接由壬3和由壬4，全部焊完后采用相同的緩冷措施；最后再焊接由壬5。此方式可有效減小焊接熱輸入，防止道間溫度過高，且可避免焊接殘余應力不致過分集中，減小了再熱裂紋的產(chǎn)生幾率。焊縫總體工作量較大，單班次不能全部焊完，停焊后須將筒體置于250℃回火爐內(nèi)保溫處理（單個由壬焊接須焊完三分之一以上），下一班次取出按預熱規(guī)范要求再繼續(xù)焊接。第五，焊縫要求。焊角高度應符合設計圖樣，焊縫應與母材圓滑過渡，焊縫余高在0.5~2mm，焊縫表面不得有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和咬邊等可見性缺陷，邊緣不得有飛濺、焊瘤等附著，如有可用角向磨光機裝羊毛輪清磨去除，整個焊縫應盡可能平滑美觀。

4.檢測試驗

（1）外觀檢查焊縫表面無咬邊、氣孔、裂紋等可見缺陷，焊后成形平滑美觀。（2）無損檢測焊縫經(jīng)超聲波探傷，焊縫內(nèi)部無明顯夾渣、氣孔、裂紋及未熔合等缺陷。（3）水壓試驗該產(chǎn)品經(jīng)石油工業(yè)井下工具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行檢測，水壓打壓至105MPa，焊接處無可見變形，且在整個試驗過程中無異常響聲，穩(wěn)壓15min無滲漏。5.結(jié)語35rCMo鋼屬于中碳鋼，焊接性能不良，尤其是為了增加其強度經(jīng)過調(diào)制熱處理后，其可焊性更差。該材質(zhì)水泥頭的焊縫要達到承壓能力105MPa，應該說是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。通過研究實踐，總結(jié)了一套行之有效的超高壓水泥頭焊接工藝，經(jīng)過試壓檢測，該工藝能夠滿足水泥頭105MPa超高壓要求，為此類超高壓產(chǎn)品的焊接提供參考借鑒。

參考文獻：

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作者:尹壘 周保德 陳立平 單位:德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司