油管挂上下密封环与挂体焊接缺陷分析及解决措施

王树立，姜彬，范维巍

（大庆油田装备制造集团 抽油机公司乘风铆焊厂，黑龙江 大庆 163411）

0 引言

伴随着石油不断地开采，KY24.5/65 采油井口装置得到了广泛的应用。但该装置中油管挂上下密封环（73 冷轧铜条10×10 mm）与挂体（35CrMo）焊接过程中经常出现未焊透、气孔和热裂纹等缺陷，致使上下密封环与挂体间不能形成永久性的焊接接头。在焊后加工上下密封环时，经常出现上下密封环与挂体间相对松动。导致整套装置密封效果不理想，性能不太稳定。为解决此问题，本文提出了相应的解决措施，确保了该装置性能安全可靠，深受用户好评。

1 焊接接头缺陷原因分析及解决措施

如图1，原设计焊接规范：坡口间隙为3 mm；采用焊条T107，焊条直径4.0 mm，电流110～150 A。

图1 油管挂（KY24.5/65 采油井口装置）

1.1 未焊透原因分析及解决措施

内在因素：由于铜的热导率在20℃时比铁大7 倍多，1000℃时大11 倍多，焊接热量迅速从加热区传出去，使加热范围扩大，焊件越厚，散热越严重。焊接区难以达到熔化温度，所以母材和填充金属难熔合。

外在因素：原设计热输入功率和坡口间隙过小，坡口内含有杂物、铜屑、油污等容易造成未熔合及未焊透和夹渣现象。

解决措施如下：

1）焊接规范的调整。（1）增大坡口间隙，坡口间间隙由3 mm 调整为15 mm；（2）增大焊接电流，如表1 所示。

表1 焊接电流的调整

2）焊前准备。（1）预热400～500 ℃；（2）焊前清除坡口内杂物铜屑油污等。

3）操作技术。在坡口中间引弧，然后往左边移到根部铜环（上下密封环）与机体（挂体）熔合后快速把弧引向右边，待根部熔化后再把熔池称向中间，做短弧直线运条，直至把坡口的间隙填满。通过增大坡口间隙、增大电流提高热输入率和焊前预热来弥补严重的热散失；严格控制操作技术；焊前清除坡口内杂物铜屑油污等，这些可使熔敷金属与机体能够充分熔合焊透无夹渣，最终获得牢固的焊接接头。

1.2 气孔形成原因分析

内在因素：从冶金特性方面，焊接时铜中存在溶解性气体和氧化还原反应产生的气体。氢在铜中的溶解度与温度有关，随着温度升降而增减，当铜处于液—固态转变时，析出大量的扩散氢；熔池中的Cu2O 在凝固时因不溶于铜而析出，便与氢或CO 反应生成水蒸气或CO2发生化学反应气体，因不溶于铜而逸出。

Cu2O+CO→2Cu+CO2↑，

2H+Cu2O→2Cu+H2O↑。

从物理特性方面，铜的热导率比铁大7 倍以上，焊缝金属的结晶速度很大，在这种情况下CO2、H2O 的上浮和扩散逸出极为困难，常常是来不及逸出和上浮便形成了气孔。

外在因素：焊接电源、焊条本身偏心、药皮脱落、坡口含有水油杂物以及焊条烘干温度和保温时间不够等都会导致熔池保护效果不好，形成气孔缺陷。

解决措施：

1）焊接规范。选择焊接电源为输出电流平滑、变化幅度小的硅整流直流逆变焊机。

2）焊前准备：（1）预热400～500 ℃左右；（2）焊条要在350～400 ℃下烘干1～2 h，不能偏心和药皮不能有脱落现象；（3）清理坡口处的水、油污等杂质。

3）操作技术：（1）采用短弧直线用条操作方式施焊；（2）收弧时采用点弧或来回摆动2～3 次填满弧坑；（3）适当调整正极接线位置。

采用直流逆变电源可解决因T107 焊条药皮中含有电离电位较高的氟化物造成的电弧气氛不稳定，以及熔滴过渡时引起的电流波动。采用直流逆变电源和操作中短弧施焊，以及药皮不能有脱落均有利于保护高温沸腾下的熔池不受外界空气的侵入。焊前预热可延长熔池存在时间，使CO2和H2O 气体易于逸出；烘干焊条和清理坡口水、油污主要控氢；操作中点弧和摆填满弧坑有利于控制收弧时气孔产生；调整正极接线位置和焊条不能偏心主要是防止因磁偏吹所产生的气孔。采取这些措施可控制气孔的形成。

1.3 产生热裂纹原因分析

内在因素：铜在液态下易氧化生成氧化亚铜，它溶于液态铜而不溶于固态铜，冷凝过程中与铜生成熔点略低于铜的Cu2O+Cu 共晶；铜中若有Bi 和Pb 杂质，在熔池结晶过程中也生成低熔点共晶物Cu+Bi、Cu+Pb，这些共晶物分别在焊缝热影响区的低熔共晶物重新熔化，在焊接应力作用下，在焊缝或热影响区上就会产生热裂纹。又因铜和铜合金在加热过程中无同素异构转变，晶粒易长大，有利于低熔点共晶薄膜的形成，从而增大了热裂倾向。

外在因素：密封环或挂体接头处，以及焊条中含有S、Pb、Bi 等杂质，导致产生热裂纹。

解决措施：1）严格控制上下密封环、挂体及焊条中S、Pb、Bi 杂质的含量；2）焊前严格清除接头杂质。通过控制S、Pb、Bi 的含量，降低熔池结晶过程中低熔点共晶物Cu+Bi、Cu+Pb 的形成，从而来控制热裂纹产生。

2 最佳施焊方案

为了使油管挂上下密封环与挂体之间能够得到一个理想强度永久性的焊接接头，保证该装置密封性能稳定，最终最得出一个最佳施焊方案。

2.1 焊前准备

1）接头预热400～500 ℃左右。

2）焊条要在350～400 ℃下烘干1～2 h，放在保温筒内随用随取，不能有偏心和药皮脱落现象。

3）彻底清除接头处的水、油污等杂质。

4）严格控制焊材及母材中S、Pb、Bi 杂质的含量。

2.2 焊接规范

焊接规范如表2 所示。其次是要选择焊接电源为输出电流平滑、变化幅度小的硅整流直流逆变焊机。

表2 焊接规范

2.3 操作技术

1）在坡口中间引弧，然后往左边移到根部铜环（上下密封环）与机体（挂体）熔合后再快速把弧引向右边，待根部熔化后再把熔池移向中间，做短弧直线运条，直至把坡口的间隙填满。如图3 所示，焊条运行轨迹：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩。其中，①②③为打底焊层，④⑤为填充焊层，⑥⑦⑧⑨为盖面焊层，①为引弧点，⑩为收弧点。

图2 油管挂接头坡口型式

图3 焊条运行轨迹及焊道层

2）收弧时采用点弧或来回摆动2～3 次填满弧坑。

3）适当调整正极接线位置，控制磁偏吹现象。

3 结语

本文对油管挂体与上下密封环焊接过程中出现的缺陷进行了理论与实践分析。通过改变焊接规范与操作技术，得到了实际应用中所需要的理想强度的焊接接头，从而满足了采油作业需求。

［1］陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］俞尚知.焊接工艺人员手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1991.