二氧化碳气体保护焊在泥浆泵液缸修复中的应用
董 志
(中国石化集团江汉石油管理局钻井工程处,湖北 潜江 433121)
[ 摘 要] 钻井泥浆泵液缸焊接过程存在飞溅过大、喷嘴易堵塞、焊缝气孔多、有裂纹、焊接质量合格率低等问题,采取优选焊接参数、改善焊接工艺、增强二氧化碳气体在焊接过程中的保护作用、安装电压装置、加大喷嘴尺寸等技术措施,可有效提高泥浆泵液缸焊接合格率。
[关键词] CO2 气体保护全自动焊;飞溅;焊接工艺;焊接参数
CO2 气体保护焊技术是包括焊接工艺、参数、设备、工件、材料、保护气体以及操作等方面的综合性技术,由于具有焊接效率高、冷裂倾向小、生产成本低等诸多优点而应用广泛;但焊缝成形差、飞溅大等问题限制其进一步推广应用。
现阶段,CO2 气体保护焊是钻井设备修理中的重要手段之一。对于刺坏、拉伤、或磨损超标等原因造成损坏的泥浆泵液缸,通常是进行换新或堆焊修复。根据江汉钻井工程处机修厂近几年统计数据,采取CO2 气体保护焊修复泥浆泵液缸比换新泥浆泵液缸,平均每年可节约50～60 万元。2001 年, 江汉钻井机修厂购置了一台NBC —500 型CO2 气体保护圆柱面全自动立焊机并投入使用。然而,在投入使用初期,液缸焊接质量总合格率不足30 %。因此,结合生产和焊接工作实际进行CO2 气体保护焊应用技术研究和攻关成了一项紧迫的任务。
1 问题症状
由于所购置设备是CO2 气体保护圆柱面全自动立焊机,而焊接工件即泥浆泵液缸的部分所需焊孔是圆锥孔,超出了焊机焊接适应范围,内孔焊接条件较差;同时,由于电焊工对新焊机不够熟悉,焊接工艺、焊接参数的选择有待进一步探索,焊机没有调整到****状态,焊接过程中的CO2 气体保护亦存在一定问题。所以,CO2 气体保护全自动立焊机在投入使用后的头几个月,表现为飞溅过大、喷嘴易被飞溅堵塞、焊缝气孔多、有裂纹、所焊泥浆泵液缸合格率低。
2 原因分析
在对泥浆泵液缸进行CO2 气体保护焊的过程中,造成飞溅过大、喷嘴易堵塞、焊缝气孔多、有裂纹、所焊泥浆泵液缸质量合格率低的主要原因有以下几个方面:
2. 1 焊接参数
(1) 焊接电流和电弧电压。为保证焊缝成形良好,焊接电流必须与电弧电压配合适当,如果焊接电流、电弧电压过大,焊接过程中的飞溅就大,导致喷嘴易被飞溅堵塞、焊缝气孔多;而焊接电流过小时,容易导致未焊透、未熔合和夹渣等缺陷以及焊缝成形不良。
(2) 焊接速度。焊接时电弧将熔化金属吹开,在电弧下形成一个凹坑,随后将熔化的焊丝金属填充进去,如果焊接速度太快,这个凹坑不能完全被填满,将导致咬边或内凹等缺陷,以及CO2 气体的保护效果变差,容易出现气孔;相反,若焊接速度太慢,熔敷金属堆积在电弧下方,使熔深减少,将导致焊道不均、未熔合、未焊透等缺陷。
(3)焊丝伸出长度。若焊丝伸出过长,该段焊丝的电阻热大,易引起成段熔断,且喷嘴至工件距离较大,CO2 气体的保护效果差,飞溅严重,焊接过程不稳定,熔深浅和气孔增多;若焊丝伸出过小,喷嘴至工件距离较小,飞溅的金属易引起喷嘴堵塞,破坏了CO2 气体的保护,会出现更严重的气孔。
2. 2 实心焊丝中的合金元素
CO2 是一种氧化性气体,在电弧高温区分解为CO并放出O2 ,具有强烈的氧化作用,使合金元素烧损,容易产生气孔及飞溅。为了防止气孔、减少飞溅和保证焊缝具有一定的力学性能,要求焊丝中含有足够的合金元素。
如果用碳脱氧,将产生飞溅及气孔,故焊丝中含碳量应小于0. 1 %;如果仅用硅脱氧,将产生高熔点的二氧化硅,不容易浮出熔池,容易引起夹渣;如果仅用锰脱氧,生成的氧化锰密度大,不容易浮出熔池,也容易引起夹渣。
2. 3 CO2 气体纯度及流量
(1) CO2 气体纯度对焊缝金属的致密性和塑性有很大的影响。CO2 气体中的主要杂质是水分和氮气,氮气一般含量较少,危害也较小,但水分危害较大。随着CO2气体中水分的增加,焊缝金属中的扩散氢含量也增加,焊缝金属的塑性变差,容易出现气孔,还可能产生冷裂纹。
(2) 如果CO2 气体流量过小,CO2 气体就不能有效地覆盖焊接区,不能很好地隔绝空气,从而降低CO2 气体的保护效果;如果CO2 气体流量过大,会引起外界空气卷入焊接区,同样会降低CO2 气体的保护效果。此外,焊接现场附近使用风扇或门窗吹风等也会造成CO2 气体的保护效果不好,影响焊接质量。
2. 4 焊接工艺
泥浆泵液缸的修复,有时要对圆锥面进行焊接,而NBC - 500 型CO2 气体保护圆柱面全自动立焊机,只适用于圆柱面的焊接;由于焊机在圆周焊接过程中没有变径功能,只能通过工艺手段,将液缸内圆锥面加工成圆柱面以满足焊接要求,再在圆锥小头增加焊接层数来达到目的。
2. 5 液缸的焊接性
焊接性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度,与材料、工艺、结构和使用条件等因素密切相关。金属材料的焊接性除用各种焊接性试验来进行评定外,还可以用碳当量进行间接评估,国际焊接学会推荐的碳当量计算公式为:CE(ⅡW) = C +Mn/ 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15 ( %) 。一般情况下,当CE(ⅡW) 小于0. 4 %时,焊接性优良;当CE(ⅡW) 处于0. 4 %～0. 6 %范围内时,焊接性稍差,焊接时需适当预热;当CE(ⅡW) 大于0. 6 %时,焊接性差。3NB - 1300C泥浆泵液缸和SL —1300A 泥浆泵液缸的材料分别为:30CrNiMo 和35CrMo ,计算得它们的碳当量CE(ⅡW) 分别为1. 0 %和0. 95 %,说明液缸的焊接性差。
2. 6 网络电压的波动
由于CO2 气体保护焊机安装在机修厂加工车间内,该车间除了本焊机外,还有大功率各种机床、吊车等设备30 多台套。这些设备共用一套电源线,功率大小突变必然导致输入焊机电压的波动,轻则造成焊接电流和电弧电压等焊接参数的改变,影响焊接质量;重则造成焊机无法正常施焊。
2. 7 喷嘴堵塞
CO2 气体保护焊的缺点之一是飞溅较大,而飞溅大的直接危害是容易堵塞喷嘴,CO2 气体不能顺利通过,必然破坏CO2 气体保护焊的保护作用,焊接区域直接暴露在空气中,使焊缝气孔严重增加。
3 主要对策
3. 1 优选焊接参数
以尽可能低的电弧电压、焊接电流来降低飞溅又确保焊透为原则,来选择电弧电压、焊接电流及其他焊接参数的配合。经反复试验,选取电弧电压25V ,焊接电流250A ,焊接速度13m/ min ,焊丝直径1. 6mm ,焊丝伸出长度15mm ,CO2 气体流量20L/ min～25L/ min ,电源极性为直流反接。
3. 2 正确选择焊丝
在焊接过程中,从喷嘴喷出的CO2 气体,在高温下分解为CO 并放出O2 ,其反应式为:2CO2 = 2CO + O2 。温度越高,CO2 的分解度越高,放出的O2 就越多。在焊接条件下,CO2 和O2 会使铁和其他合金元素氧化,在进行CO2 气体保护焊时,必须采取措施,防止母材和焊丝中合金元素的烧损。因此,CO2 气体保护焊的焊丝对化学成分有特殊要求: (1) 焊丝内必须含有足够数量的脱氧元素Mn 和Si ,并保持适当的比例,Mn 和Si 的氧化物形成硅酸锰盐,它的密度较小,容易从熔池中浮出,不会产生夹渣,减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔; (2) 焊丝的含碳量要低,通常要求w(C) 小于0. 1 %,以减少气孔和飞溅; (3) 要保证焊缝具有满意的力学性质和抗裂性能。鉴于上述原因和所焊母材3NB - 1300C 泵液缸和SL - 1300A 泵液缸的材料分别为:30CrNiMo 和35CrMo ,故焊丝选择天津市金桥焊材集团有限公司生产的GB ER50 - 6 ,其主要化学成份:C 为0. 07 %,Mn 为1. 56 %,Si 为1. 56 %,Cu 为0. 11。选用该焊丝一年多,焊接效果良好。
3. 3 采取相应的技术措施,确保CO2 气体在焊接过程中发挥良好的保护作用
(1) 选取纯度较高、质量稳定的CO2 气体; (2) 采用气瓶倒立排水法排除CO2 气体中的水分,即:将新灌气瓶倒置1～2 小时,打开阀门排出沉积在下面的自由状态的水,每隔30 分钟排放一次,共排放2～3 次,然后,将气瓶放正,供焊接使用; (3) 在CO2 气体供应系统中,在减压器前串联接入CO2 气体干燥器和预热器,定期更换干燥剂,或将已用过的干燥剂烘干后再继续使用,以进一步降低CO2 气体中的水分含量,从而提高焊接质量; (4) 操作时,坚持提前输送气体和滞后关闭气体,确保焊接过程中气体流量稳定保持在25L/ min 左右,当CO2 气瓶中的压力降到1. 5MPa时,换新瓶气使用。
实践证明,将纯CO2 气体换为比例为8 ∶2 的Ar 和CO2 的混合气体,可进一步提高泥浆泵液缸的焊接质量。
3. 4 改善焊接工艺
可通过将泥浆泵液缸的需焊锥孔车成圆柱孔,变圆锥焊为圆柱焊的方法改善焊接工艺。由于泵头需堆焊部位有时为圆锥孔,而本焊机只适用于圆柱面焊接,因此,只有将液缸内锥孔先加工成圆柱孔,再进行堆焊,并在圆锥小头适当增加堆焊的层数,才能在焊接过程中,既保持焊枪与焊面的距离不变,又堆焊出锥孔。
3. 5 液缸的预热和保温
通常CO2 气体保护焊在焊接低合金高强钢时出现冷裂纹的倾向较小;但是,SL - 1300A 泵和3NB - 1300C 泵液缸材料的碳当量CE(ⅡW) 分别达到0. 95 %和1. 0 %,液缸的焊接性差。同时,试验表明,在常温下,特别是在冬季气温条件下,如果没有采取预防措施,所焊泥浆泵液缸大都出现裂纹。为防止焊接裂纹的产生,我们设计制作了一个电加热炉,将需焊的泥浆泵液缸加热到250 ℃～270 ℃,并保温4～5 小时后,再进行焊接;焊完后,将其放入200 ℃左右的炉内,并保温2～3 小时,然后开盖自然冷却,可取得较好的焊接效果。
3. 6 改善液缸外部焊接环境
焊前,将液缸需焊孔车新,同时,对需焊孔周围的油污、水分、铁锈、尘土等杂物彻底清除干净,杜绝焊接过程中焊区周围的油污、水分、铁锈、尘土等杂物进入熔池内,以免影响焊接质量。
3. 7 安装电源稳压装置
在选定焊机各项焊接参数的条件下,若网络供电电压发生波动,则焊机的电弧电压、焊接电流、焊接速度等焊接参数也随之发生变化,势必影响焊接质量。因此,应专门给CO2 气体保护焊机安装电源稳压装置,在一定的范围内自动调节电压,确保焊接过程中电压的平稳。
3. 8 适当加大喷嘴内径尺寸,并使用高效飞溅净
CO2 气体保护焊的特点之一是飞溅较大。要杜绝飞溅的产生不可能,但可通过以下两条相关措施减少飞溅的影响:一是在加大保护气体流量、确保其对焊接区域的有效保护的前提下, 将喷嘴内径在原来基础上加大5mm ,使飞溅难以造成堵塞。二是焊接前在喷嘴内外涂抹一层高效飞溅净,使飞溅难以在喷嘴内外形成粘结;另外,每焊完液缸一个孔,立即清除粘在喷嘴内外的飞溅,使飞溅在造成阻碍CO2 气体流通前即被清除,以杜绝飞溅堵塞喷嘴现象。
3. 9 确保焊机机械部分处于良好工作状态
经常对焊机的机械部分进行检查和保养,要特别注意观察焊丝输送滚轮、压轮、送丝软管等的工作状况,定期对各齿轮、丝杆、轴承等部位进行润滑保养,使焊机处于良好的工作状态。
3. 10 提高焊工的技术水平
通过技术培训使焊工真正掌握CO2 气体保护焊的焊接操作技能,提高工作质量。
4 进一步研究的主要内容
经过一年多的技术攻关和采取相关技术措施,CO2气体保护焊研究取得了显著效果,液缸焊接合格率已由原来的不足30 %提高到85 %,较好地满足了泥浆泵修理的实际需要。
为了进一步提高液缸焊接合格率,今后应从以下3方面进行研究: (1) 液缸(焊件) 是碳当量较高(0. 95 %～1. 0 %) 的合金钢,不同厂家液缸材料的含碳量、合金成分以及碳当量均有一定的差别,它们的焊接性不一致,因此,焊丝牌号及焊接工艺、参数的选择以及加热和保温的温度与时间的选择要与之相适应。(2) 液缸内孔焊接条件差,飞溅不容易自由向四周散落,浓烟废气不易散去,直接影响了液缸的焊接合格率。因此,应努力改变液缸内孔焊接条件。(3) 不同厂家不同批次CO2 气体的纯度和质量差别较大,且无检测手段,无疑是液缸焊接合格率的影响因素之一。因此,应选择纯度高、质量稳定的CO2气体。
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