摩擦焊机在抽油杆生产中的应用

中国石油玉门油田分公司机械厂 （甘肃酒泉 735009 ） 张小军 张玉泉 夏 莉

1.概述

抽油杆是抽油设备中的细长杆件，它上接抽油机驴头，下接抽油泵柱塞，起到将抽油机动力传递给抽油泵的作用。我厂生产的抽油杆长度为6～10m，材质为35CrMo合金钢。由于杆件较长，用车床车削螺纹比较困难，且生产效率低，因此经过调研论证引进了技术比较成熟的焊接方法——摩擦焊。

摩擦焊技术的主要优点归纳为以下几点：

（1）接头质量高 由于摩擦焊属于固态焊接，正常情况下，结合面不发生熔化，焊合区金属为锻造组织，所以焊缝不会出现气孔、夹渣及裂纹等焊接缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。

（2）适合异种材质连接 一般来说，凡是可进行锻造的金属材料都能进行摩擦焊接。如钢和纯铜、钢和铝、钢和黄铜等异种金属的焊接。

（3）生产效率高 对焊件的准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产。每件焊接时间以秒计，一般只需几秒至几十秒，是其他焊接方法所不能相比的。

（4）尺寸精度高 专用摩擦焊机可保证焊后的偏心度为±0.2mm。

（5）清洁无污染 工作时不产生烟雾及有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线等。

（6）节能降耗 所需功率仅是传统焊接工艺的1/5，不需焊条、焊剂、钎料和焊接用保护气体，不需添加金属，同时不需消耗电极。

基于摩擦焊具有以上诸多优点，因此被誉为绿色焊接技术。经过几十年的发展，摩擦焊技术在国内目前已经具备了包括工艺、设备、控制及检测等一整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上形成了一定的独立体系。

2.摩擦焊机在抽油杆生产过程中的应用

（1）抽油杆传统生产过程 抽油杆的传统生产工序：①将10m左右的杆料在专用加热炉里加热到可锻造的组织，然后杆料两端在锻压设备上锻出图1所示的形状。②锻造好的杆料进行下一步工序——热处理，首先在淬火炉里加热到相变点以上的某一温度后，保温一段时间，然后放入油里进行急剧冷却；进而在回火炉里继续加热到相变点以下的某一温度，保温一段时间，最后出炉在空气中冷却。③将冷却后的杆料在拉伸机上拉直，然后将拉直的杆料在车床上车削出如图2所示的连接螺纹，最后进行喷漆、包装。

图1 抽油杆锻造端头

图2 抽油杆连接螺纹

根据上述生产过程，传统抽油杆生产工序：锻造→淬火→回火→拉伸→车螺纹。其生产过程劳动强度比较大，在锻造工序中一根杆料至少需2～3人才能够完成加工操作；而加工螺纹工序中由于杆料较长，车削时杆料容易偏心发生弯曲现象，所以需要好几个扶正工装夹具，并且一台加工车床和扶正工装夹具在一起占用工房场地较大，上料下料费时费人费力，生产效率低。

（2）焊接抽油杆生产过程 焊接式实心抽油杆的生产过程：①将1m左右的杆接头用棒料在专用加热炉里加热到可锻造的组织，然后棒料的一端在锻压设备上锻出图1所示的形状。②锻造好的杆接头棒料和用于焊接的8m左右的杆体棒料进行淬火和回火热处理。③将焊接用杆体棒料在拉伸机上拉直。④锻造好的杆接头棒料在车床上车削出如图2所示的连接螺纹。最后，将杆接头和杆体采用摩擦焊焊接成如图3所示的焊接式实心抽油杆。

图3 焊接式实心抽油杆

焊接式实心抽油杆是先将经过热处理并且精加工的杆接头和经过热处理的杆体焊接在一起，使其结构形状和规格尺寸符合美国石油学会（API）抽油杆标准的要求。根据抽油杆不同钢级的要求，焊接式抽油杆的杆头采用合金钢，杆体采用普通碳素钢，或者杆头采用高强度合金钢，杆体采用低合金钢。由于抽油杆受力最大处和疲劳强度的极限破坏都是在杆头的锻造部位和螺纹接头部位，焊接抽油杆杆头的锻造部位和螺纹接头部位采用了比杆体较好的合金钢材质，而杆接头部位的质量仅占整根抽油杆质量的5%左右，所以大大节省了优质合金钢。同时，由于杆接头采用的钢材强度高于杆体的钢材强度，因此杆接头尺寸规格可以比杆体低一级，这样既节省了大量优质合金钢，又可以使油管内抽油杆接箍与油管内壁之间的环形面积增加13%～14%，减少了井液的流动阻力，有利于井液的举升，并减少了抽油机的光杆荷载，从而减少了作业费用。另外，根据抽油杆的工作条件要求，其杆接头和杆体材料与热处理可以相同也可以不同，这种制造方法与传统抽油杆的制造方法相比，不仅降低了生产制造成本，而且节约了能源和材料。

3.抽油杆焊接接头的缺陷及检测

（1）接头缺陷 摩擦焊是固相连接，接头中不会出现与熔化、凝固有关的缺陷，但有时如果实心抽油杆杆接头和杆体材料的焊接性能较差、焊接参数选择不当或表面清理不干净时，在杆接头和杆体的连接面上会出现一些“非理想结合”的缺陷，如接头偏心、焊接裂纹、接头组织扭曲、未焊合及氧化灰斑等，这些缺陷一般具有平面弥散分布的特征。

第一，接头偏心。杆接头和杆体在焊接过程中由于摩擦焊机刚度较低，夹头偏心、杆接头和杆体端面倾斜或杆体杆头在夹头中伸出量太长等原因造成。

第二，焊接裂纹。杆接头和杆体在焊接接头上的裂纹主要出现在焊合区边缘飞边缺口部位、焊合区内部及飞边上，它的产生与材料的淬硬性及焊接参数有关。

第三，未焊合一般产生于抽油杆杆接头和杆体的焊合面上，其表面宏观特征呈氧化颜色。它的产生与摩擦加热不足、顶锻力过小及原始表面状态等因素有关。

第四，氧化灰斑是一种焊接缺陷在断口上的表现形式，它在杆体和杆接头的焊接面断口一般表现为暗灰色平板状，无金属光泽，为近似圆形、椭圆形或长条形，与周围金属有明显的不同，具有明显的沿断面焊缝断裂的特征。这是由于焊接前杆接头和杆体焊接面清理不干净，在焊接过程中焊机振动、压力过小等原因造成。

（2）无损检测 抽油杆焊接接头中出现非理想结合的缺陷时，会使焊接接头的抗断能力下降几倍甚至几十倍。例如当氧化灰斑面积为20%～30%时，焊合区冲击功可下降70%～80%，疲劳寿命下降25%～50%。因此，对于抽油杆焊接接头进行无损检测，是保证抽油杆的性能与安全非常重要的环节。由于摩擦焊焊接缺陷具有二维、弥散和近似表面分布的特征，故应采用高聚焦性能和高分辨率的无损检测技术。目前我厂采用超声波检测技术，再辅以视觉检查来完成焊接抽油杆的检测。

4.结语

摩擦焊技术在石油装备制造业中的应用越来越广泛，很多适合摩擦焊生产的产品都相继采用了这项焊接技术，取得了良好的经济效益。摩擦焊技术在抽油杆焊接生产中的应用不仅降低了我厂的制造、投资和生产成本，而且节约了能源和材料。