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尹垒 周保德 陈立平 【摘要】探讨了调质热处理后的35CrMo低合金高强钢管材作为筒体，承插由壬组焊成为水泥头产品的焊接工艺，并对焊接措施及操作注意事项进行了总结，尤其是对引弧和熄弧处理、层间处理及道间温度以及焊接次序及时间做了详细介绍。通过合适的焊后热处理工艺措施消除应力。最后通过试压检测，证明此工艺能够满足105MPa压力要求，该工艺可以为超高压容器焊接提供参考经验。 关键词：5CrMo；超高压；焊接工艺；焊后热处理  日前公司承担焊制页岩气固井用超高压水泥头一件，现场使用工作压力达到70MPa，试验压力要求达到105MPa，属超高压力容器。经讨论确定选用调质热处理后的35CrMo低合金高强钢管材作为焊接筒体，将5个由壬（材质35CrMo）承插于筒体上焊接完成此产品。 35CrMo钢的化学成分以及力学性能如表1和表2所示。35CrMo无缝管有很高静力强度、冲击韧性及较高疲劳极限，高温下有高的蠕变强度与持久强度，冷变形时塑性中等。35CrMo钢的碳当量值为0.72%，可知此钢种焊接性不良，焊接时其淬硬倾向较大，尤其在调质状态下焊接，由于热影响区热裂纹和冷裂纹倾向都会较大，对焊接工艺及措施要求高，所以在选取合适焊接材料，合理焊接方法基础上，必须采取严格工艺措施才能实现产品焊接目的。 表1 化学成分（质量分数） （%）  C Si Mn S P Cr Ni Cu Mo 0.32～0.40 0.17～0.37 0.40～0.70 ≤0.035 ≤0.035 0.8～1.10 ≤0.030 ≤0.030 0.15～0.25 表2 常温下力学性能  抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率（%） 断面收缩率（%）≥985（100） ≥835（85） ≥12 ≥45 本文以超高压固井水泥头焊接实例，介绍规格为长1 469mm，φ326mm×18.25mm筒体上焊接5件规格为φ52mm×17.25mm的由壬的焊接工艺。 1. 焊接难点分析35CrMo钢属低合金高强度钢，其碳当量＞0.60%，钢材的硬倾向较强，致使焊接时热影响区淬硬倾向增大，焊接性较差。而且焊接时接头内氢含量较多，极易产生冷裂纹。 由于该产品试压要达到105MPa，属于高承压容器，且工件连接处为复杂的相贯线，因此焊接时要采用多层多道焊接的方法进行，以保证焊接强度。多层多道焊接一方面热输入大，熔池温度过高，高温停留时间过长，在冷却过程中均易产生结晶裂纹；另一方面，筒体以及由壬厚度相差悬殊，受热不均匀，致使焊接后残余应力很大。 2. 焊接工艺（1）焊接设备 采用唐山松下YC—400px焊机。 （2）焊接材料 根据焊接材料选用手册，采用天津大桥焊材集团公司的E8515—G（J857Cr）焊条。J857Cr焊条属低氢钠型药皮的低合金高强钢焊条，采用直流反接，可全位置焊接，规格为φ3.2mm和φ4mm，其化学成分如表3所示。 （3）焊接接头坡口设计 据设计图样显示，筒体与由壬组装位置及坡口设计如附图所示。 筒体根部不开坡口，由壬被焊接端部车削加工一斜坡，筒体与由壬焊接坡口采用类似45°±2°单V形坡口。该坡口形式开口较大，有利于焊接过程中扩散氢的逸出和脱渣，也可使根部很好熔合。清磨焊缝缺陷及飞溅时，使用金属内磨头或中厚切片，尽量不用厚磨片。 （4）焊前预热 为了防止局部加热引起的高应力以及热裂纹，在焊前要对筒体和由壬进行预热。首先将由壬安装到筒体上（见附图），进行定位焊，使两者固定；然后整体进入回火炉预热至250℃。 （5）焊道间温度控制 焊道间温度控制在90～110℃ ，焊接过程中红外测温仪监控，当焊缝温度低于要求时，即用氧乙炔中性焰加热至规定温度后再焊接。  筒体与由壬组装位置及坡口设计 注：1、2、3代表焊接顺序。 （6）中断焊接保温 由于焊接5个由壬，焊接时间长，无法一次性焊完。中间停止焊接操作时，应将工件放入回火炉持续保温，保温温度也为250℃。一方面为了防止急速冷却引起的裂纹，另一方面可以为未焊接的由壬预热。 （7）焊接参数 该焊接采用打底层、填充层、盖面层三层焊接的方式。其焊接参数如表4所示。 （8）焊后热处理 此筒体焊前已做过调质处理，焊后筒体置于回火炉内温度缓升至420℃，应力释放时间8h，随炉冷却完成焊后热处理。整体高温回火消除焊接残余应力效果最好，可将80%～90%以上的焊接残余应力消除掉。 3. 焊接操作及注意事项（1）焊接准备 ①焊前焊条须经350℃烘干保温1h，随用随取，用不完可重复烘干，但重复烘干不得超过三次。②不锈钢刷或氧乙炔中性火焰清理焊缝附近50mm内的毛刺、铁锈及油污等杂物。③由壬定位组焊于筒体上，定位焊缝长度不短于20mm，焊缝的起弧点与熄弧点与母材圆滑过渡。④筒体工件整体进入高温回火炉预热至250℃。 表3 E8515—G（J857Cr）焊条化学成分（质量分数） （%）  C Mn Si Cr V Mo≤0.15 ≥1.00 ≤0.60 0.70～1.10 0.05～0.15 0.50～1.00 表4 焊接参数  焊层厚度/mm打底层E8515—G 3.2 SMAW DC+ 110～125 16～22 17～22 — 10填充层E8515—G 4.0 SMAW DC+ 170～180 18～20 18～20 90～110 20盖面层E8515—G 4.0 SMAW DC+ 165～175 16～20 16～19 90～110 10焊层 焊材型号 规格φ/mm电源极性及方式焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1层间温度/℃ （2）焊接操作注意事项 第一，引弧和熄弧处理。鉴于低氢钠型药皮焊条在起弧处易产生密集气孔的特性，宜在起弧点后15～20mm处划弧方式引燃电弧，待电弧稳定燃烧后再前移至起弧点处焊接；熄弧时采用回焊法填满弧坑，避免引起收弧裂纹。 第二，焊接角度。尽可能使焊缝熔池处于平焊位置冷却成形，平焊可使焊工在焊接工艺参数范围内适度增大焊接电流，有效减少夹渣缺陷产生几率，特别是打底层间隙较小处，保证电弧穿透力。 第三，层间处理及道间温度。采用小电流、短电弧、不摆动或轻微摆动的多层多道焊，打底层采用φ3.2mm焊条适当增大电流，窄道快速焊；填充层采用φ4.0mm焊条不摆动或轻微摆动，使焊道平整并充分熔合；最后一道采用φ3.2mm焊条可有效消除咬边缺陷。每层焊道必须清理干净，尤其接头及焊道两侧，并注意防止夹渣、未熔合等缺陷的产生。焊道单层厚度≤4mm，每层接头应错开10～15mm，一为便于清渣和避免死角，二可使焊接应力不至过于集中。道间温度不可过高（以90～110℃为宜），相对焊接热输入，道间温度对熔敷金属低温性能影响更大，应对道间温度严格控制。 第四，焊接次序及缓冷措施。由于此工件焊接过程中存在视线受阻的实际情形，所以可采用先焊接半圈，再焊接另半圈的方法。但每一单道焊缝必须全部焊接完成后，才可以进行下道焊缝焊接。单道焊缝焊接过程不得无故中断，如遇特殊情况应采取后热保温措施，达到焊接条件后方可再行焊接。鉴于由壬有5个，可采取交互焊接方式：即由壬1和由壬2交互焊接，等全部焊完，使用岩棉保温被缓冷；然后再焊接由壬3和由壬4，全部焊完后采用相同的缓冷措施；最后再焊接由壬5。此方式可有效减小焊接热输入，防止道间温度过高，且可避免焊接残余应力不致过分集中，减小了再热裂纹的产生几率。焊缝总体工作量较大，单班次不能全部焊完，停焊后须将筒体置于250℃回火炉内保温处理（单个由壬焊接须焊完三分之一以上），下一班次取出按预热规范要求再继续焊接。 第五，焊缝要求。焊角高度应符合设计图样，焊缝应与母材圆滑过渡，焊缝余高在0.5～2mm，焊缝表面不得有气孔、夹渣、裂纹、未熔合和咬边等可见性缺陷，边缘不得有飞溅、焊瘤等附着，如有可用角向磨光机装羊毛轮清磨去除，整个焊缝应尽可能平滑美观。 4. 检测试验（1）外观检查 焊缝表面无咬边、气孔、裂纹等可见缺陷，焊后成形平滑美观。 （2）无损检测 焊缝经超声波探伤，焊缝内部无明显夹渣、气孔、裂纹及未熔合等缺陷。 （3）水压试验 该产品经石油工业井下工具质量监督检验中心进行检测，水压打压至105MPa，焊接处无可见变形，且在整个试验过程中无异常响声，稳压15min无渗漏。 5. 结语35rCMo钢属于中碳钢，焊接性能不良，尤其是为了增加其强度经过调制热处理后，其可焊性更差。该材质水泥头的焊缝要达到承压能力105MPa，应该说是一项严峻的挑战。通过研究实践，总结了一套行之有效的超高压水泥头焊接工艺，经过试压检测，该工艺能够满足水泥头105MPa超高压要求，为此类超高压产品的焊接提供参考借鉴。 参考文献： [1] 杨亮平，徐延金. 合金结构钢35CrMo的焊接[J]. 金属加工（热加工），2009（4）：58-59. [2] 谭金明. 35CrMo焊接工艺实践[J]. 制造技术与实践，2007（6）：71-72. [3] 俞宽铣. 锅炉压力容器焊工培训教材[M]. 北京：北京科学技术出版社，1999：40. [4] 中国机械工程学会焊接学会.焊工手册：手工焊接与切割[M]. 北京：北京机械工业出版社，2003：40-41，312-313. 作者简介：尹垒、周保德、陈立平，德州大陆架石油工程技术有限公司。 |
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