結(jié)合石油鉆鋌小直徑厚壁管結(jié)構(gòu)和40CrMnMo材質(zhì)的特性，優(yōu)選了窄間隙脈沖熔化極氣體保護(hù)焊方法，針對(duì)窄間隙焊存在氣體保護(hù)差與側(cè)壁熔合缺陷的難點(diǎn)，進(jìn)行了大量的焊接工藝試驗(yàn)，探討了窄坡口中電弧的氣體保護(hù)、電弧形態(tài)、電弧穩(wěn)定性、焊縫成形質(zhì)量，優(yōu)化了窄間隙連續(xù)多層焊接工藝參數(shù)．設(shè)計(jì)了專用窄間隙焊機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊可達(dá)性好、氣體保護(hù)效果好，具有易引弧、電弧燃燒穩(wěn)定、避免側(cè)壁打弧的特性．通過(guò)對(duì)接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)及金相組織分析結(jié)果表明，焊接接頭的力學(xué)性能完全滿足石油鉆鋌使用的要求．

石油鉆采鋼管—鉆鋌需用量大，價(jià)格昂貴，在使用過(guò)程中管體端部螺紋極易磨損，報(bào)廢量大，若能修復(fù)，可大大降低油田的鉆采成本．鉆鋌的焊接修復(fù)是把鉆鋌端頭的連接螺紋部分切去，焊上一段接頭，在接頭上再車螺紋．鉆鋌管體與接頭的焊接屬于小直徑厚壁管對(duì)接環(huán)縫焊．為此研究開(kāi)發(fā)了鉆鋌窄間隙脈沖熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù)，研制了專用焊接設(shè)備及焊機(jī)；設(shè)計(jì)了焊接工藝和焊接坡口；優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，并對(duì)鉆鋌焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了深入的分析．該厚壁自動(dòng)焊接技術(shù)成果在石油、地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用十分看好，是實(shí)行修舊利廢、節(jié)約資金的良好舉措，在航空、電力、制造等行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用前景［1］．1試驗(yàn)方法1．1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用鉆鋌管體材料為進(jìn)口中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼4145H（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)40CrMnMo），進(jìn)口國(guó)別不同，材質(zhì)有所差異；所焊工具接頭材料為國(guó)產(chǎn)4145H，母材化學(xué)成分如表1所示．被焊鉆鋌及接頭為內(nèi)徑��80mm，壁厚54mm的厚壁管，其中管體長(zhǎng)約8m，工具接頭長(zhǎng)0．6m，總長(zhǎng)9m左右．

從母材的化學(xué)成分可知，該材料的碳當(dāng)量大，具有較強(qiáng)的淬硬傾向，焊接性很差．1．2焊接工藝方法的優(yōu)化石油鉆鋌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直徑小、管壁厚，目前在厚板焊接中窄間隙焊是高效的方法之一．窄間隙焊是一種以很高的熔敷率在窄小的間隙內(nèi)完成多層焊縫的焊接，由于窄間隙焊接坡口截面積小所需填充金屬少，因此具有成本低生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)．此外窄間隙焊的焊接熱輸入低，熱影響區(qū)窄，加之多層焊的回火作用，使焊接接頭的質(zhì)量提高，尤其是沖擊韌性高．目前窄間隙焊所采用的工藝方法有埋弧焊、鎢極氬弧焊以及熔化極氬弧焊．由于鉆鋌的直徑小，采用埋弧焊時(shí)焊劑和鐵水容易流失而不適用；采用鎢極氬弧焊時(shí)焊接生產(chǎn)效率又太低；而熔化極氬弧焊的生產(chǎn)效率高，但焊接電弧控制有一定的難度，對(duì)此采用脈沖電流控制電弧和熔滴過(guò)渡，可有效提高電弧的穩(wěn)定性和降低焊接熱輸入，同時(shí)有利于改善焊接接頭的力學(xué)性能［2］．

1．3專用窄間隙焊機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)多次修改結(jié)構(gòu)形式和試驗(yàn)，研制出了一把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、使用性好且可伸入窄間隙坡口中的焊機(jī)．其噴嘴為橢圓形，在噴嘴長(zhǎng)軸方向有兩個(gè)導(dǎo)流片，在噴嘴外附加一橢圓形水冷保護(hù)外套，橢圓形噴嘴和橢圓形水冷保護(hù)外套之間有滑動(dòng)作用．在坡口中焊接時(shí)，水冷卻的導(dǎo)電桿和導(dǎo)流片伸入坡口中，保護(hù)氣體由噴嘴流出，靠導(dǎo)流片和坡口側(cè)壁引入焊接區(qū)進(jìn)行保護(hù)，隨著焊道的增加，焊機(jī)提升帶動(dòng)噴嘴導(dǎo)流片和導(dǎo)電桿一起上升，而橢圓形水冷保護(hù)外套則沿橢圓噴嘴下滑一直貼著焊件，當(dāng)接近焊件外表面焊道焊接時(shí)，主要靠水冷保護(hù)外套取得保護(hù)效果．該焊機(jī)保護(hù)效果良好，無(wú)論是底層還是表層焊道的焊接均能有效地保護(hù)焊接區(qū)域而無(wú)氣孔產(chǎn)生，焊絲外伸出長(zhǎng)度可調(diào)，使引弧容易，焊接工藝穩(wěn)定，更重要的是采用這種焊機(jī)提高了窄間隙焊中電弧的穩(wěn)定性，避免了側(cè)壁打弧現(xiàn)象的發(fā)生．

1．4鉆鋌焊接工藝及焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

1．4．1焊接工藝

（1）焊絲選用H10Mn2SiMoVE高強(qiáng)度焊絲，直徑為��1．6mm．

（2）圖1為鉆鋌焊接示意圖．將鉆鋌和接頭待焊端加工成U形坡口，鈍邊留2．5mm，根據(jù)鉆鋌水眼尺寸選配好耐火土襯墊，在焊接機(jī)床上裝夾并找正待焊鉆鋌和接頭，調(diào)整焊絲伸出長(zhǎng)度在1214mm范圍內(nèi)，焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)易產(chǎn)生焊接缺陷，易燒導(dǎo)電嘴，引起爆斷．

（3）用工頻加熱器對(duì)焊接坡口預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為710min，溫度達(dá)300350℃．

（4）焊接前調(diào)整焊機(jī)下落，使焊絲指向所焊底層位置，焊機(jī)水冷保護(hù)外罩的下沿與焊件外圓相接觸，要求鉆鋌旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體保護(hù)外罩能沿管體外圓面作平滑均勻運(yùn)動(dòng)．焊接時(shí)氬氣和CO2氣體從橢圓噴嘴保護(hù)罩流出，鉆鋌旋轉(zhuǎn)，焊絲勻速送出，焊絲端部與焊接坡口的底層之間引燃電弧后將持續(xù)燃燒進(jìn)行多層焊接，每焊完一層，焊機(jī)自動(dòng)提升3mm，以保證電弧長(zhǎng)度不變，直至焊接到表層停止．整個(gè)焊接程序自動(dòng)完成．1．4．2焊接工藝參數(shù)確定焊接工藝參數(shù)主要是基于降低焊接熱輸入，提高電弧穩(wěn)定性，改善接頭的力學(xué)性能和保持焊縫合理成形，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，保護(hù)氣體優(yōu)選了Ar+5%CO2的混合氣體，氬氣流量為1500L/h，CO2流量為100L/h，其中加入少量的CO2氣體能夠增大熔池中鐵水的張力，使焊接過(guò)程中焊縫始終保持合理的成形，從而減少焊接缺陷［2］．

2鉆鋌窄間隙焊工藝分析與討論

2．1窄間隙焊中電弧失穩(wěn)現(xiàn)象及控制

窄間隙焊接時(shí)，電弧在坡口底部燃燒穩(wěn)定很重要，但若電弧控制不良，則電弧的陰極斑點(diǎn)可能沿坡口的固體側(cè)壁上移，即在焊絲和側(cè)壁之間形成電弧，這時(shí)導(dǎo)電嘴受電弧高溫熔化，粘絲使電弧熄滅，焊接過(guò)程破壞，出現(xiàn)側(cè)壁打弧現(xiàn)象．控制側(cè)壁打弧的方法，除了坡口寬度不能過(guò)窄和焊絲在坡口中要嚴(yán)格對(duì)中之外，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采用氣流控制方法最為有效，即從焊機(jī)結(jié)構(gòu)上解決，焊機(jī)結(jié)構(gòu)中在噴嘴長(zhǎng)軸方向有兩個(gè)導(dǎo)流片可引流氣體在坡口的側(cè)壁流動(dòng)，使側(cè)壁表面上形成近壁層流層，這層近壁層流層對(duì)零件側(cè)壁起到良好的隔熱、絕緣作用，限制了電弧陰極斑點(diǎn)沿零件側(cè)壁上移，使陰極斑點(diǎn)穩(wěn)定．試驗(yàn)表明，在一定的坡口尺寸范圍內(nèi)，即使弧長(zhǎng)很長(zhǎng)，也沒(méi)有發(fā)生側(cè)壁打弧現(xiàn)象．

2．2根部焊道焊透與成形控制

在多層焊情況下，底層焊道是最關(guān)鍵的焊道．它對(duì)整個(gè)焊縫后續(xù)焊道的良好成形起決定性作用．因此控制根部焊道的焊透及良好成形是控制焊縫質(zhì)量的最重要環(huán)節(jié)．由于鉆鋌鋼管的管體長(zhǎng)，直徑小，焊縫背面無(wú)法加工，因而要求根部焊道單面焊雙面成形，這對(duì)熔化極自動(dòng)焊來(lái)說(shuō)是很困難的，若采用懸空焊，很難同時(shí)兼顧打底焊透而不焊漏，試驗(yàn)中分別選銅、耐火磚和陶瓷作為襯墊，比較而言耐火磚襯墊使用方便，簡(jiǎn)單低廉．使用后可打碎取出．另外墊塊在管體與接頭裝配時(shí)還起定位作用．采取以上措施后，根部焊道絕大部分長(zhǎng)度可以焊透，但有時(shí)起弧處仍有10mm左右長(zhǎng)度不易焊透．原因是起弧時(shí)由于零件溫度低，焊絲熔化滴落下來(lái)時(shí)，鈍邊尚未熔化形成熔池，此處便產(chǎn)生焊不透而且堆高．為此在起弧處加工了1～2mm寬15mm左右長(zhǎng)的間隙，起弧焊透問(wèn)題基本解決．焊接過(guò)程中，一般采用固定焊接電流，而各層旋轉(zhuǎn)頻率由焊工觀察電弧掌握，以焊縫兩側(cè)保持良好熔化不出現(xiàn)咬邊并且焊道表面形狀凹月形為適宜．底層焊縫焊接時(shí)，由于焊接頻率慢、坡口窄，熔化的鐵水聚積于電弧下方，影響了電弧對(duì)底層固態(tài)金屬的直接加熱，易造成焊道層間未熔合．為此把焊絲沿焊件中心高點(diǎn)向后移動(dòng)5mm，使鐵水在重力及電弧力的作用下流至熔池尾部，以利于電弧直接加熱固態(tài)金屬．

2．3焊縫成形的電弧工藝參數(shù)

控制窄間隙焊接焊縫成形的主要問(wèn)題是側(cè)壁熔合問(wèn)題．窄間隙焊中可以利用于側(cè)壁熔合的熱量有電弧直接加熱，熔池金屬的熱傳導(dǎo)與對(duì)流．窄間隙焊時(shí)一般電弧直徑小于坡口尺寸，即電弧不能直接加熱側(cè)壁，為使電弧能夠直接加熱側(cè)壁，故對(duì)焊縫成形采用電弧工藝參數(shù)進(jìn)行控制．首先，采用脈沖焊接電流控制，在脈沖周期由于有脈沖電流的作用，電弧截面積擴(kuò)展，弧根加熱面積擴(kuò)大，又利于側(cè)壁加熱；其次，當(dāng)工藝參數(shù)與坡口尺寸合理匹配時(shí)，熔池金屬的熱傳導(dǎo)與對(duì)流，電弧的熱輻射，可使側(cè)壁良好熔合，獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫成形．工藝參數(shù)控制方法是底層焊接時(shí)零件溫度低，特別是兩側(cè)壁溫度低，焊道表面成形往往是平的或凸的，易造成第1，第2層間側(cè)壁未焊透．為了控制根部焊道的表面形狀，采用略小的電流和較慢的焊接頻率，以延長(zhǎng)對(duì)兩側(cè)壁的加熱時(shí)間，提高側(cè)壁溫度，使熔化金屬與側(cè)壁的濕潤(rùn)性提高，使根部焊道表面形狀為凹月形，避免了第1，2層間的側(cè)壁未焊透，明顯改善了焊縫成形．兩層以上各焊道為保證側(cè)壁可靠的熔合，采用大電流、快焊速；當(dāng)焊至表面層時(shí)，為避免多層焊熱量的積累使零件溫度過(guò)熱導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)流淌、咬邊、氣孔等缺陷，需要降低焊接熱輸入，采用小電流、快焊速．焊接中采用焊接電流相對(duì)穩(wěn)定不變，而各層焊接頻率由焊工觀察電弧調(diào)節(jié)，以焊縫兩側(cè)保持良好熔化，熔池表面形狀為凹月形為適宜．

3鉆鋌焊接接頭的力學(xué)性能

3．1力學(xué)性能

試驗(yàn)鉆鋌焊接接頭焊后即用石棉被包裹焊區(qū)，保溫4h以上；焊接10h后完全冷卻下來(lái)，經(jīng)超聲探傷檢查焊縫合格，用工頻加熱器進(jìn)行550600℃回火處理．按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2002《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229—2002《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)鉆鋌焊接接頭加工性能試件，經(jīng)在UH-F500KNI型試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)獲得的性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3．經(jīng)在JBZ-300型試驗(yàn)機(jī)上做沖擊試驗(yàn)獲得的性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4．試驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的．

3．2力學(xué)性能

試驗(yàn)結(jié)果分析沖擊值出現(xiàn)較大分散的原因主要有以下兩點(diǎn)．（1）沖擊值對(duì)試件缺口的粗糙度及尺寸精度比較敏感而出現(xiàn)數(shù)據(jù)分散現(xiàn)象．（2）焊縫及熱影響區(qū)是在非平衡狀態(tài)下形成的連續(xù)變化的非均勻組織，因此同批試樣、缺口試樣誤差均可導(dǎo)致沖擊值的較大變化．例如，焊縫中心的合金元素偏析區(qū)，其沖擊值要明顯低于焊縫其它區(qū)域．

4結(jié)論

（1）針對(duì)鉆鋌的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)選窄間隙脈沖熔化極氣體保護(hù)焊方案是合理的；研制的專用窄間隙焊體機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可達(dá)性好，伸入到窄間隙坡口，具有氣體保護(hù)效果好、易引弧、電弧燃燒穩(wěn)定、避免側(cè)壁打弧的特性．（2）對(duì)小直徑厚壁管焊接時(shí)，合理的優(yōu)化坡口尺寸及控制各層焊接工藝，可以獲得滿意的焊縫成形和良好的焊接質(zhì)量．（3）修復(fù)焊后的石油鉆鋌焊接接頭具有較好的綜合力學(xué)性能，能夠滿足井下作業(yè)的要求．