石油測(cè)井儀器外殼焊接工藝探究

郭嗣杰，林 坤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所 河北 邯鄲 056027 )

·經(jīng)驗(yàn)交流·

石油測(cè)井儀器外殼焊接工藝探究

郭嗣杰，林 坤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所 河北 邯鄲 056027 )

針對(duì)石油測(cè)井儀器外殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和加工工藝要求，采用A302(E309-16)焊條和焊前預(yù)熱焊后保溫等措施探究外殼體用馬氏體不銹鋼(2Cr13)和定位柱用奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)相互焊接時(shí)焊縫的抗裂性。試驗(yàn)結(jié)果表明：上述方法可有效地防止焊縫中出現(xiàn)焊表冷裂紋，保證殼體的焊接質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)要求。

測(cè)井儀器；馬氏體；奧氏體；焊接

0 引 言

焊接是機(jī)械加工非常重要的環(huán)節(jié)之一。 許多情況下機(jī)械零部件的加工是靠焊接完成的。而焊接過(guò)程中最易出現(xiàn)的問(wèn)題就是焊后裂紋。因此，如何提高金屬焊接的抗裂性是人們一直探討的理論和實(shí)踐問(wèn)題。

金屬焊接以同種材料最為理想。但是，在許多情況下，出于設(shè)計(jì)的需要，往往要將不同材料焊接在一起。因此，如何提高不同型號(hào)鋼材焊接的抗裂性，在生產(chǎn)和實(shí)踐中有及其重要意義。

1 石油測(cè)井儀器外殼設(shè)計(jì)特點(diǎn)

石油測(cè)井儀器因?yàn)槠涮厥獾氖褂靡鬀Q定了其外部形狀多為管狀殼體，殼體與殼體之間通常使用螺紋連接。因此，在整個(gè)殼體加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)涉及焊接問(wèn)題。比如，石油測(cè)井儀器外殼直徑普遍會(huì)有變化，出于機(jī)械加工工藝需要，經(jīng)常會(huì)分別加工粗細(xì)兩部分再焊接在一起；有時(shí)殼體與芯體之間需要定位，必須在殼體上加工小孔再同定位柱實(shí)施焊接等等。如果是同等材料焊接，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；遇到不同型號(hào)金屬材料焊接，就要對(duì)其焊接性能和焊接工藝進(jìn)行分析和研究。本文就某外殼加工過(guò)程中外殼體與定位柱實(shí)際焊接過(guò)程中的抗裂性工藝問(wèn)題進(jìn)行探究。

某石油測(cè)井儀外殼結(jié)構(gòu)如圖1所示，由外殼體和定位柱組成。外殼體為粗端為Φa、細(xì)端為Φb的圓柱體，采用馬氏體不銹鋼2Cr13；定位柱采用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。對(duì)二者實(shí)施焊接后要求表面光滑，且焊縫處能夠承受一定外部壓力。因此，必須要保證二者的焊接質(zhì)量，特別是不能出現(xiàn)加渣和焊后產(chǎn)生冷裂紋現(xiàn)象。

圖1 某石油測(cè)井儀外殼結(jié)構(gòu)示意圖

2 2Cr13與1Cr18Ni9Ti的焊接性能分析

2Cr13屬典型馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼是指經(jīng)淬火處理后在常溫下獲得馬氏體組織的不銹鋼，這類鋼可在空氣中淬硬，所以焊接性很差，不采取有效措施不能獲得滿意的焊接接頭[1]；1Cr18Ni9Ti則屬奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有單相組織的不銹鋼。相對(duì)于馬氏體不銹鋼較容易焊接，一般情況下能很好地適應(yīng)于熔化焊接，其可焊性屬良好。因此，當(dāng)馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼相互焊接時(shí)，就需要在兼顧兩者的情況下有所側(cè)重。本文著重討論如何提高馬氏體不銹鋼的焊接抗裂性，同時(shí)結(jié)合奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)，采用合理的工藝來(lái)降低焊縫和熱影響區(qū)的硬脆化和冷裂紋傾向。

3 2Cr13與1Cr18Ni9Ti的特性對(duì)比[2]

3.1 化學(xué)成分比較

2Cr13與1Cr18Ni9Ti所含主要化學(xué)成分比較見(jiàn)表1。

表1 2Cr13與1Cr18Ni9Ti所含主要化學(xué)成分比較 %

從表1可以看出，2Cr13與1Cr18Ni9Ti二者所含主要化學(xué)成分C和Cr的差異是比較大的。

3.2 力學(xué)性能(強(qiáng)度)比較

馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分特征是，在0.1%～1.0%C，12%～27%Cr的不同成分組合基礎(chǔ)上添加鉬、鎢、釩和鈮等元素，由于組織結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，因而在高溫下強(qiáng)度急劇下降，而在600℃以下，高溫強(qiáng)度在各類不銹鋼中最高，蠕變強(qiáng)度也最高；奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分特征是以鉻、鎳為基礎(chǔ)添加鉬、鎢、鈮和鈦等元素。由于組織結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，因而在高溫下有高的強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。

從以上比較可以看出，二者的力學(xué)性能存在著極大的差異。因此，2Cr13與1Cr18Ni9Ti的焊接對(duì)焊縫材料、焊接工藝的選擇提出了一定的要求。焊接質(zhì)量的好壞將直接影響焊接接頭的使用可靠性。

4 試驗(yàn)方案

4.1 焊縫材料的選擇

異型材料的焊接，應(yīng)根據(jù)母體材料以及焊縫要求選擇合適的焊接材料。如與馬氏體不銹鋼(2Cr13)焊接時(shí)，可選用奧氏體填充材料，也可選用與馬氏體不銹鋼母材金屬成分相似的填充材料，以便使焊后力學(xué)性能及使用性能相接近[3]。但是，為了降低焊縫淬硬傾向，避免出現(xiàn)焊接裂紋，焊縫中C、S、P等含量應(yīng)嚴(yán)格控制；另外，為了保證焊縫耐熱、耐蝕以及具有塑韌性，應(yīng)采用高Cr-Ni奧氏體鋼焊條。綜合以上分析，再經(jīng)過(guò)對(duì)不同規(guī)格焊條成分比對(duì)，本試驗(yàn)決定采用A302(E309-16)焊條芯作為焊縫材料。A302是鈦鈣型藥皮的Cr23Ni13不銹鋼焊條，熔敷金屬有良好的抗裂性及氧化性能，可交直流兩用，有良好的操作工藝性能。用于焊接相同類型的不銹鋼、不銹鋼襯里、異種鋼以及高鉻鋼、高錳鋼等。并且其化學(xué)成分[4]基本滿足上述要求。

2Cr13、1Cr18Ni9Ti與A302焊條化學(xué)成分比較見(jiàn)表2。

表2 2Cr13、1Cr18Ni9Ti與A302焊條化學(xué)成分比較 %

從表2可以看出，A302焊條屬于高Cr-Ni焊條, 其S、P含量同2Cr13和1Cr18Ni9Ti完全相同，其C含量更接近2Cr13，其Ni含量還要高于1Cr18Ni9Ti。因此，選擇A302焊條芯是符合條件的。

4.2 焊接方法

原則上，任何焊接方法都可以用來(lái)焊接馬氏體不銹鋼。但是，異型鋼材的焊接，除了應(yīng)考慮接頭能否滿足使用要求、母材性質(zhì)及工作條件外，還應(yīng)著重考慮焊接方法對(duì)焊縫中母材熔化比例(即熔合比)的影響。實(shí)際生產(chǎn)中手工焊因具有工藝靈活、母材熔合比小的特點(diǎn)，在異型鋼焊接中是經(jīng)常使用的。因此，本試驗(yàn)將采取手工氬弧焊的試驗(yàn)方法。

4.3 焊接工藝

就2Cr13而言，由于其焊接熱影響區(qū)具有強(qiáng)烈的淬硬傾向，即使采用匹配的焊接材料，而不采取一些特殊的焊接工藝也難以獲得沒(méi)有缺陷及使用性能優(yōu)良的焊接接頭。因此，采用合適的工藝措施是十分必要的。除此之外，還要對(duì)焊縫坡口的設(shè)計(jì)、加工以及焊縫性質(zhì)提出具體要求。

對(duì)焊縫坡口的設(shè)計(jì)要求如圖2外殼體焊縫坡口截面示意圖所示。對(duì)丁字(或十字)接頭，宜采用Ⅴ型坡口且保證焊透，這是降低焊接接頭應(yīng)力集中的重要措施[5]。

對(duì)焊縫坡口的加工要求是，在焊前準(zhǔn)備和坡口加工中應(yīng)十分重視焊接區(qū)、坡口表面和焊材表面的清潔度，任何污染都會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬的增碳而降低接口的耐蝕性。在焊接對(duì)接頭耐蝕性要求較高的不銹鋼焊件時(shí)，焊接區(qū)、坡口表面和焊絲表面應(yīng)用丙酮或去油力強(qiáng)的其它溶劑擦洗干凈[6]。石油測(cè)井儀器由于其獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境，涉及高溫、高壓、硫化物及礦物腐蝕，耐蝕性要求極高，因此更應(yīng)重視上述工藝要求。

圖2 外殼體焊縫坡口截面示意圖

對(duì)焊縫性質(zhì)提出的具體要求是，在外殼體和定位柱之間環(huán)繞定位柱周圍進(jìn)行焊接，焊縫為角焊縫，焊后修平，如圖3所示。

圖3 焊縫示意圖

具體采用焊接工藝如下：

1)焊前預(yù)熱

不同材質(zhì)的鋼材，焊接工藝要求是不同的。焊接馬氏體不銹鋼，由于其有強(qiáng)烈的淬硬傾向，因此，焊前母材金屬必須預(yù)熱[3]。預(yù)熱可以降低熱影響區(qū)的淬硬傾向， 防止產(chǎn)生冷裂紋。 本試驗(yàn)將焊前預(yù)熱溫度控制在200℃左右，低于馬氏體的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度，符合實(shí)際。

2)焊接過(guò)程中的敲擊

由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差， 膨脹系數(shù)大，拘束狀態(tài)下焊接易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)不僅易產(chǎn)生熱裂紋，而且冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大。所以，本試驗(yàn)在焊接過(guò)程中，采用邊焊接邊敲擊焊縫金屬的辦法，以減小焊件殘余應(yīng)力,防止熱裂紋的產(chǎn)生。

3)電流控制

在金屬焊接工藝中，電流的控制是非常重要的。本試驗(yàn)將焊接電流控制在120～135A,有效地保證了焊接過(guò)程的實(shí)施。

4)焊接層間保溫措施

在焊縫填充量較大的情況下，為了有效地防止焊接裂紋的產(chǎn)生，易采取分層焊接的方法，先焊接一層，待溫度降低以后再焊接另一層。與此同時(shí)對(duì)焊縫金屬進(jìn)行敲擊，以克服由于線性膨脹系數(shù)不同所造成的收縮應(yīng)力不同而產(chǎn)生的裂紋傾向。

5)焊后緩冷

焊后保溫是鋼材尤其是不銹鋼材焊后處理的重要環(huán)節(jié)。就馬氏體不銹鋼而言，在焊接冷卻速度較慢時(shí)，容易出現(xiàn)粗大的馬氏體加塊狀鐵素體組織；在冷卻速度較快時(shí)，又易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。兩者都能明顯降低接頭塑韌性，出現(xiàn)過(guò)熱區(qū)脆化。因此，本試驗(yàn)在焊接完成后對(duì)焊件采取了一定的保溫措施，使其緩慢冷卻，以減少過(guò)熱區(qū)脆化的影響程度。

5 外部壓力試驗(yàn)

把該石油測(cè)井儀器外殼兩端用試壓帽、試驗(yàn)堵頭連接好后，放到壓力井中做外部壓力試驗(yàn)，在要求的保壓時(shí)間內(nèi)，驗(yàn)證焊縫處是否能承受設(shè)計(jì)的外部壓力。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 外部壓力試驗(yàn)曲線

由圖4可知，儀器保壓過(guò)程正常，該石油測(cè)井儀器外殼焊縫處能滿足承受一定的外部壓力的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)對(duì)外殼體用馬氏體不銹鋼(2Cr13)、定位柱用奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的焊接性能、力學(xué)性能進(jìn)行了分析，提出了焊接時(shí)采用某型號(hào)焊條和焊前預(yù)熱焊后緩冷等工藝措施，找到了一種避免產(chǎn)生焊表冷裂紋的有效方法，取得了理想的效果，為異型鋼材的焊接探索出一條有效可行的途徑。焊后壓力試驗(yàn)表明，殼體能夠滿足設(shè)計(jì)對(duì)外部壓力的要求。

[1] 劉中清，劉 凱.異種金屬焊接技術(shù)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997：73-74.

[2] 張少棠，于榮濱，徐慶安，等.鋼鐵材料手冊(cè)(第5卷)不銹鋼[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：21,71-72.

[3] 劉中清，劉 凱.異種金屬焊接技術(shù)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997：234.

[4] 張子榮，時(shí) 煒.簡(jiǎn)明焊接材料選用手冊(cè)(2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004：9.

[5] 俞逢英.高級(jí)電焊工工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992：77.

[6] 陳裕川，王同芬，汪東明，等.焊接工藝評(píng)定手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000：145.

Welding Procedure Exploration of Well Logging Tool Shell

GUO Sijie, LIN Kun

(The718ResearchInstituteofCSIC，Handan,Hebei056027，China)

Aiming at the characteristics of the shell configuration of the well logging tool and the request of the machining technics, A302(E309-16)welding rod was used, also measures of warming up before jointing and heating preservation after jointing were taken in order to explore the capability to resist cracks when martensite stainless steel(2Cr13)was used in shell and abstruse stainless steel(1Cr18Ni9Ti)was used in orientation pole to joint each other. The test result showed that the method can prevent cool cracks effectively in surface of the welding lines, and satisfy the joining quality of the shell and the design request.

well logging tool; martensite; abstruse; jointing

郭嗣杰，男，1966年生，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶工程專業(yè)，現(xiàn)從事產(chǎn)品研發(fā)及科研管理工作。E-mail：sjguo718@sohu.com

TH138

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2096-0077(2016)06-0090-03

2016-09-09 編輯：姜 婷)