（材料加工工程专业论文）径向水平井生产管全位置自动化填丝焊接技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 径向水平井生产管全位置自动化填丝焊接技术研究 材料加工工程 祁俊峰( 签名) 周勇( 签名) 摘要 超短半径水平井系统( u r r s ) 是一种极具潜在优势的新型钻采方法。生产管在u r r s 中作为高压喷射水力的载体，承受着拉、压、扭、弯、摩擦和冲刷等恶劣的工况条件， 扮演着重要的角色。生产管出现的任何质量问题，如失稳、渗漏、刺穿、断裂等，都会 带来巨大的损失。因此，对生产管的焊接技术就提出了更高的要求。本文在对研究对象 充分调研的基础上，通过对国产1 4 无缝钢管的化学成分及焊接性分析，利用由德国引进 的o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机配m l l 5 机头，完成对m3 2 3 径向水平井用生产管打底焊后 对接全位置自动化填丝焊接工艺及焊后整形、热处理工艺的制定，在拉伸、压扁、弯曲 及显微硬度等试验基础上，对焊接接头质量进行评定，并利用金相技术分析接头显微组 织，为焊接接头质量的控制提供了依据。 本文通过正交试验和单参数试验，对脉冲t i g 焊电流参数与焊缝成形的关系进行了 量化研究，利用回归分析的方法建立了峰值脉冲电流、峰值脉冲时间、脉冲频率与熔宽 和熔深之间的数学关系式，对生产管的焊缝成形及脉冲焊接工艺参数的调节具有重要意 义。 关键词：超短半径水平井生产管全位置焊接脉冲钨极氩弧焊 论文类型：应用研究 ( 本文得到中国石油天然气总公司超短半径径向水平井研究资金的资助) s u b j e c t ： a s t u d y o nt h ea u t o m a t i cf u l lp o s i t i o n a d d i n g w i r e w e l d i n g t e c h n i q u e o ft h e w o r k i n gt u b i n g i nt h e u l t r a s h o r t - r a d i u sr a d i a ls y s t e m s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g innasmtr。uc：tor：zqhojuuny如onngg(。siggnnaatuurre。落 ) 兰竺坚拦缆 t h eu l t r a s h o r t r a d i u sr a d i a l s y s t e m ( u r r s ) i sak i n do fn e wd r i l l i n gm e t h o do f p o t e n t i a ls u p e r i o r i t y o nt h eb a dw o r kc o n d i t i o no fb e i n ge x t e n d e d ，c o m p r e s s e d ，d i s t o r t e d ， r u b b e da n de r o d e d ，t h ew o r k i n gt u b i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ep a r to f h i g hp r e s s u r e l o s i n g ，s u c ha su n s t a b i l i t y , s e e p a g e ，p i e r c i n ga n df r a c t u r e ，e t c t h u s ，t h ew e l d i n gt e c h n i q u eo f t h ew o r k i n gt u b i n gb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t i nt h i s p a p e r , t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d o ft h ef u l lr e s e a r c ho ft h eo b j e c t t h ea u t o m a t i cf u l lp o s i t i o na d d i n gw i r ew e l d i n g t e c h n o l o g y e x t e n s i o n ，c o m p r e s s i o n ，d i s t o r t i o na n dm i c r o h a r d n e s s ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r e o fw e l d e d j o i n t s i sa n a l y z e d t h r o u g hm e t a u o g r a p h i ct e s t ，a so f f e r s t h eb a s i sf o rt h eq u a l i t yc o n t r o lo f t h ew e l d e d i nt h i s p a p e r , t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fp u l s ec u r r e n ta n dw e l d a p p e a r a n c e a r es t u d i e d t h r o u g h t h e o r t h o g o n a l t e s ta n d s i n g l ep a r a m e t e r t e s t t h e m a t h e m a t i c a le q u a t i o n so f p u l s ec u r r e n t ，p u l s ed u r a t i o n ，p u l s e 丘e q u e n c nw e l d w i d t ha n dw e l d p e n e t r a t i o na r es e tu pb yu s i n gt h em e t h o d o f r e g r e s s i o n ，w h i c hi si m p o r t a n ti nw e l df o r m i n g k e y w o r d s ：t h eu l t r a s h o r t - r a d i u sr a d i a ls y s t e m ，t h ew o r k i n gt u b i n g , w e l d i n go f f u l l p o s i t i o n ，p u l s e t i g t h e s e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 x 6 0 5 4 g 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中傲 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名盘鱼坚日期：础、t j 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 壹壁肇 日期：矿争- r l f ，1 导师签名：址 嗍竺! 坚：篁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 超短半径水平井( t h eu l t r a s h o r t r a d i u sr a d i a ls y s t e m ，简称u r r s ) ，也 称之为径向水平井，是指曲率半径远比常规曲率半径水平井更短的一种水平 并。超短半径水平井钻井技术运用，可以在o 3 m 以内的井段中完成从垂直 到水平的转向。从狭义上讲，这一系统是没有造斜段的。超短半径水平井钻 井技术抛弃了传统的靠钻头旋转机械破岩方式，而是采用高压水射流破岩以 形成水平井眼的新工艺技术【l 】。 径向水平井生产管是为了满足超短半径水平井射孔要求而使用的，在井 下要通过半径约为0 3 m 的弯曲工况，并承受7 0 9 0 m p a 的压力，还要经受 腐蚀、摩擦、挤压等工况。生产管在超短半径水平井钻井系统中扮演着重要 角色，生产管出现的任何质量问题，如失稳、渗漏、刺穿、断裂等都会引起 井下、井上事故，轻者损坏井下、井场设备，重者可能会造成油井报废和人 员伤亡，带来巨大的经济损失【2 1 。这样对生产管的焊接技术就提出了更高的 要求。 现今在超短半径水平井中使用的生产管有连续油管和无缝钢管两种类 型。美国是钻超短半径水平井眼较早且应用数量最多的国家之一，它们所使 用的生产管是高强度低合金钢连续油管，材料以a 6 0 6 为主【3 j 。无缝钢管是 一种对化学成分和机械性能都有严格要求的低合金钢管，标准长度6 8 m m 。国内目前在超短半径水平井钻井系统中使用的生产管是外径为由 3 1 7 5 m m 的连续油管和外径为巾3 2 r n m 的国产无缝钢管。由于国内研制的无 缝钢管的力学性能与美国产连续油管的性能接近，而且具有价格低的优势， 特别是在现场作业时，多方面表现出比连续油管具有更强适应性的特点，因 而，国内目前在超短半径水平井中的生产管多数采用无缝钢管。 对径向水平井生产管现场焊接技术，目前研究的人较少。国内对生产管 的焊接仅停留在手工及半自动焊基础上，可靠性、稳定性及再现性较差。此 外，随着超短半径水平井生产管径向进给距离的增加，要求连接长度更长的 生产管，使得以往工件旋转而焊枪不动的焊接方法难以实现。因此，对生产 西安秆油人学硕士学位论文 管的全位置自动化焊接技术就摆到广大焊接工作者面前。 1 2 课题来源及本文的主要研究工作、目的和意义 本课题属于中国石油天然气总公司“十五”规划重点项目超短半径 径向水平井研究，所研究的主要内容，得到项目基金的支持。 本文以径向水平井生产管为研究对象，通过对径向水平井生产管材料的 焊接方法、焊接性的分析研究，利用最新引进的o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机对 生产管进行全位置自动化焊接，并进行焊接工艺、焊接质量评定，以满足生 产管在超短半径水平井中射孔、弯曲、承压、腐蚀、摩擦等复杂工况条件的 要求，提高其应用的可靠性和安全性。通过拉伸、压扁、弯曲、硬度、金相 等试验，对焊接接头进行质量评定，并讨论生产管材料的成分、组织与焊接 工艺、参数、接头组织及性能之间的关系，在理论上得出接头的成形控制理 论和性能匹配关系，在实际应用上制定出合理的操作规范并实现径向水平井 生产管的自动化焊接。同时，该项研究也为高精度管管对接焊的研究提供 必要的理论及实际应用依据，为实现生产管的国产化提供了一条参考途径。 对生产管焊接技术的研究，具有重大的实际工程应用价值，同时也具有 一定的理论研究价值。在工程应用方面，该项研究成果可直接应用到径向水 平井生产管的焊接生产中，大大提高生产管焊接的工作效率、接头质量、稳 定性及再现性。作为超短半径水平井钻井系统的关键技术之一，该项成果可 大大提高生产管在径向水平井中的可靠性及安全性，降低了因生产管质量问 题引起的一系列井下、井上事故，对实现生产管的国产化也具有重大的现实 意义。在理论研究方面，通过对生产管材料的分析及焊接，能够为管材的进 一步优化提供切实的理论依据，对精密管一管对接焊的研究具有重要参考价 值。 1 3 研究背景 1 3 1 超短半径水平井( i 瓜r s ) 的技术特点 由于超短半径水平井钻井系统的钻进不靠钻柱和钻头旋转，不需通过钻 杆给钻头施压，从而彻底解决了常规水平井钻井所遇到的一系列复杂问题， 大大提高了钻井速度，和常规的水平井钻井技术相比，它的显著优点还有： 曲安 黼火学硕士学位论文 a 定向工艺简单，方向和位置准确。它采用特殊的斜向器和钻井方法， 在很短的时间和很短的井段内完成从垂直到水平的转向。可避免常规长、中、 短曲率半径水平井钻井所需的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工 艺。 b 可在已不产油的老井和旧井中，利用套管开窗技术，在同一垂直井眼 的同一水平面上钻出几口到几十口辐射状水平井。能使死井复活，老井更新， 延长油井的使用寿命，并大幅度提高油井产量和原油采收率。 c 地面设备简单、钻井施工操作方便，机械钻速高，建井周期短等【l 】【3 1 。 1 3 2 超短半径水平井钻井系统的主要设备 套营 油层 斜向器 图卜1第二代径向水平并钻井系统 研制和生产超短半径水平井钻井系统的公司有美国的p e t r o p h y s i c s 公 司、p e n e t r a t o r s 公司；法国的埃尔夫公司、埃素公司；德土古加拿大资源公 司等。最典型的柔性钻井系统是由美国p e t r o p h y s i c s 公司在1 9 8 0 年和1 9 8 6 年研制成功的第一代、第二代产品。地面设备包括一台压裂泵，一台修并机， 一台缆绳车；井下设备包括水力破岩钻头，柔性钻具，巾3 2 m m 低碳钢生产 管，斜向器，高压导引控制机构。近年，在喷射钻头、井眼轨迹控制装置等 方面有了进一步发展和完善。其主要部件仍处在第二代水平，如图1 一l 所示， 西安石油大学硕士学位论文 目前还在广泛应用中【1 】【4 l 【5 0 斜向器是整个超短半径径向系统中的一个关键机构。其作用是通过内部 的导向机构使生产管迅速从垂直方向转向水平方向，确保钻头在油层里钻至 合适的位置，减小扩眼直径并使生产管在拉力、推力、弯曲力以及内液拉力 的联合作用下，处于高应力和塑性状态。应力增加很小，生产管就能产生很 大的变形，靠导向机构出口的几对滚轮构成校直滑道，已使生产管水平地伸 出斜向器，进入地层【6 j 。 水力破岩钻头是形成水平井的关键。在地面机泵条件和井下工作管柱允 许的条件，以较小的射流压力和排量，高速破碎前面的岩石，形成井眼，使 生产管顺利进入所形成的井眼中，完成水平井的向前延伸，直到设计长度。 目前有多喷嘴组合钻头和单喷嘴旋转射流钻头两种类型。为确保钻头前面的 岩石得到充分破碎，使钻头和钻杆( 生产管) 向前运动，新一代超短半径径 向系统中使用尾部液压装置，通过调节阀门的开度来控制钻进速度7 1 【8 1 。 水力破岩钻头在油层中钻进时，为了保证使其不偏离方向，新一代的超 短半径径向系统多采用在生产管的上下、左右互成9 0 。的方向上加设4 个 侧向射流喷嘴。通过对喷嘴的开、关，利用侧向射流的反作用力调整和控制 钻头和生产管的前进方向阿1 们。 柔性外壳测斜仪又称v 型曲率半径测斜仪【1 l 】。它是为满足在半径较小 的生产管内完成井眼轨迹测量而设计的一种小尺寸、柔性外壳的测量装置。 该仪器不仅能打印出井斜和方位，还能测出井眼长度。 电化学射孔器是一种超短半径水平井完井专用的设备，它是用电化学的 腐蚀原理，对钻到预定长度的水平井眼内的钻杆( 生产管) 进行定点电化学 射孔，以沟通生产管和产层油气，形成水平通道，并将油气流导引到垂直的 大井眼中【1 2 1 【1 3 1 。 1 3 3 超短半径水平井钻井系统的工艺过程 在超短半径径向系统钻水平井的过程中，首先通过液体加压的方式，使 液力支撑式液压缸推动斜向器沿预定方向支起，从而将钻头前进的方向由垂 直改变成水平。地面液压泵产生的液流从钻头喷嘴喷射i l i i ，形成高压射流 阳安石油火学硕：e 学位论文 并破碎岩石，形成径向井眼，钻头带动的生产管不断前进，并逐步将生产管 铺设到所钻成的径向水平井眼内，作为将来的油气流至垂直井眼的通道。整 个钻进过程中包括钻井速度控制和使用侧推喷嘴实现方向控制，并使用v 型曲率半径测斜仪进行井眼轨迹监测，以保证水平井眼始终在生产层的中间 1 4 】口 在水平井段钻进到设计位置后，采用电化学腐蚀技术在径向井眼内进行 原地电化学射孔，割断生产管，沟通整个生产层与垂直井眼的油气流通道， 以便进行地面采收工作。 1 3 4 生产管焊接技术研究现状 目前，针对超短半径水平井生产管对接的焊接方法为钨极脉冲氩弧焊， 采用管子旋转而焊枪不动的手工焊和半自动焊形式，现场多数为手工焊。这 种方法主要存在以下弊端： a 手工焊方法要实现单面焊双面成形，对焊工的操作水平要求相当高。 此外，手工焊自身可靠性、稳定性及再现性差的特点也无法避免。 b 随着生产管对接长度的增加，采用管子旋转而焊枪不动的方式，难以 实现其现场焊接，同时也增加了焊接过程的不稳定因素。 c 所用焊接设备的自动化程度低，引弧、收弧及焊速等控制都需人工进 行，且焊接所需的辅助设备较多，如管子旋转的驱动及控制装置，若干支架 等，生产效率很低。 d 由于涉及的人为因素较多，无法对焊缝成形规律进行深入研究。 1 3 5 钨极脉冲氩弧焊技术 对生产管的焊接，要求严格控制热输入，保证平滑内成形，实现单面焊 双面成形，且易于实现全位置焊接。对焊接接头的强韧性、致密性要求很高。 比较现有焊接方法，比较适宜采用钨极脉冲氩弧焊技术。 a 钨极脉冲氩弧焊的特点钨极脉冲氩弧焊的方法首先由英国焊接研 究所于1 9 6 3 年提出。上世纪七、八十年代该方法得到飞快的发展和应用。 脉冲焊是人为地使焊接电源输出的能量按一定的规律变化。这种方法可以明 显地改善电弧的稳定性，控制对熔池及母材的热输入量和控制焊缝成形。同 堕壅至! 塑查堂塑竺生堡奎 时由于脉冲电流对熔池的冲击作用，可以改善焊缝组织及外观成形，而得到 高质量的焊缝”“。特别适合于薄件、全位置、窄间隙等特殊焊接工艺及热敏 感、高强度材料的焊接。脉冲氩弧焊的出现是气体保护焊工艺上的新发展， 扩大了气体保护焊的应用范围。根据不同的脉冲电流频率，钨极脉冲氩弧焊 可分为：低频脉冲氩弧焊，0 1 1 0 h z ：中频脉冲氩弧焊，1 0 5 0 0 h z ；高频 脉冲氩弧焊，1 2 0 k h z l l 6 1 。 图卜2 脉冲焊接交、亘流波形不惹图 b 钨极脉冲氩弧焊参数及成形特点【l6 】钨极脉冲氩弧焊与钨极氩弧焊 在工艺上的主要区别在于，它采用可控的脉冲电流来加热焊件。当每一次脉 冲电流通过时，焊件上就产生一个点状熔池。待脉冲电流停歇时，点状熔池 就冷凝结晶，与此同时由基值电流来维持电弧导电燃烧，以便下一次脉冲电 流导通时，脉冲电弧能可靠稳定的复燃。只要合理地调节脉冲间歇时间，保 证焊点间有一定的相互重叠量，就可获得一条连续气密的焊缝。 钨极脉冲氩弧焊可分为直流和交流钨极脉冲氩弧焊。直流钨极脉冲氩弧 焊主要用来焊接钢、耐热合金等，焊接时直流正接。交流钨极脉冲氩弧焊主 要用于焊接铝合金等轻金属。交直流钨极脉冲氩弧焊都采用陡降特性电源。 交、直流钨极氩弧焊的典型电流波形如图1 2 【l 引。 0 峰值电流时间，s ； 曲变年l 油大学颂士学位论文 ，基值电流时间，s ： 厶脉冲峰值电流，4 ； 五脉冲基值电流，彳： 厶焊接平均电流，爿； 卜周期，脉冲重复一次的时间，s ： 户一频率，每秒脉冲重复的次数，月2 ，厂= 1 t ； r 。脉冲宽度比( 简称脉宽比) ，r 。= ，。r ； 心脉幅比，月。= ，。，。 l l m l b 。 一 t t ： t 一 一 一 一j 。i 入 t o 点 ， j 1 v 么垫 | 掣l i | _ - 一 | 一 t mt ； t 。f i 【1 1 2l t 蚋 ：i 【i 一 _-1 图i - 3 脉冲焊用三种典型电流波形 实际生产中可用各种形式的脉冲电流波形，下面以三种基本电流波形来 介绍焊接电流各参数之间的关系，这三种电流波形如图1 - 3 所示。不同电流 波形有效值与平均值的数量关系如下【1 6 】： 方形波：平均值k = k t + m 。+ ( 考：+ a l ( 一1 ) 弘南阳研： 2 ， 碱波：平均值，矿三t a 上t n + t ， + 鼍竽斗 s ， 有效值铲翻1 _ 2 甜+ 苦槲1 ，：4 ， 两安年i 油大学硕士学位论文 三角形漉平均值k = 争南m + z 纠外 s ， 有效值弘南卜甜+ 苦搿卜6 ， 与其它焊接方法相比，钨极脉冲氩弧焊的成形特点主要表现在以下几个 方面【1 7 ： ( 1 ) 焊接过程熔池金属冷凝快、高温停留时间短，可减少热敏感金属 材料焊接时产生裂纹的倾向； ( 2 ) 对焊件热输入小，在焊接薄板或超薄板构件时，能减小焊接接头 的热影响区和焊件变形； ( 3 ) 焊缝金属在高温停留时间短，可减少受周围空气污染的机率； ( 4 ) 钨极脉冲氩弧焊的焊缝是由焊点相互重叠而成，由于脉冲电流对 点状熔池有较强的搅拌作用，且熔池冷凝速度快，所以焊缝金属组织细密， 树枝状晶不明显； ( 5 ) 钨极脉冲氩弧焊能对焊件热输入和熔池尺寸进行精确控制，故易 获得均匀的溶深，焊缝根部均匀熔透。因而可用于薄壁构件的全位置焊接、 悬空焊及中厚板开坡i z i 多层焊的打底焊。 u 。 图1 4 直流脉冲电弧的动特性 c 脉冲电流作用下焊接电弧的特性1 q 由电弧的静特性曲线可知，当电 弧电流较小时，电弧呈下降特性，随着电流的增加经过平特性而变为大电流 西安石油大学硕十学位论文 时的上升特性。脉冲焊用的周期性变化的电流，基值电流期间电流小时，电 弧可能是平特性或上升特性。为了分析方便，假定在平均电流，。基础上，叠 加一个正弦波交流，此时电弧的动特性曲线如图l 一4 所示。如果叠加交流电 流的频率非常低，则电弧电压和电流的关系按曲线l 变化。当交流电流频率 增加时，电弧的动特性曲线可按2 、3 来变化。曲线3 的频率高于曲线2 的 频率。此时电弧的动特性曲线呈椭圆形。电流上升时的电压数值比电流下降 时的电压高。这是由于电流上升时，因弧柱的热惯性使弧柱的温度跟不上电 流的变化，使弧柱的温度低电离度小，使弧柱有较高的电场强度保证电离， 所以此时电弧电压高。当电流下降时，电弧热惯性使电弧还有很高的电离度， 因此电场强度小电弧电压低。此时电弧空间的温度也是周期性变化的。电弧 周期性的膨胀和收缩，并发出相应的电弧声。当进一步提高脉冲电流的频率， 电孤的热惯性使弧柱的温度来不及变化，保持某一温度，则电弧的动特性曲 线变成一条直线如曲线4 ，这时电弧可以看作是一个纯电阻负载。曲线2 是 叠加1 0 h z 交流电流的情况，曲线3 为近千赫兹，曲线4 是为更高频率的情 况。从该图可以看出，随着频率的提高可以提高脉冲电弧的稳定性。在高频 脉冲钨极氩弧焊时，当脉冲电流频率达到几千赫兹，即使不加基值电流， 电弧也可以稳定地燃烧。 睁k 栏 u 刀 一一7 l 8 弧【i 。i t m d i _ 一 【 l 一一 j 电谪i 自弗 图1 - 5电弧压力与不同电流值的对应关系 焊接电弧保持一定的压力和挺度，能保证得到稳定的焊缝，脉冲焊时脉 冲电流期间有较高的电流密度，有利于提高电弧的挺度和指向性。低电流时 9 西安石油大学硕士学位论文 电弧不稳，脉冲电流期间又恢复稳定以便进行焊接。已知电弧的压力与电流 的平方成正比，因此脉冲电流期间可以显著提高电弧的压力，使电弧保持较 大的挺度，如图1 5 【眩1 。由图可见，与同样平均电流相比，脉冲焊峰值电流 期间比连续电流电弧有更大的压力。可见脉冲电流可以显著地提高电弧的工 艺稳定性，有利于维持小电流焊接过程。脉冲电流越大，脉冲电弧越稳定。 d 钨极脉冲氩弧焊工艺参数的选择钨极脉冲氩弧焊可以提高小电流 电弧稳定性，并用于控制焊缝成形及对母材的热输入量。在很多情况下这两 个要求是一致的。脉冲焊的工艺参数很多，如何选择最佳参数得到成形美观 的焊缝，对焊接接头质量至关重要。 据资料 1 8 1 介绍，通常按下述原则和步骤选择钨极脉冲氩弧焊的工艺参 数： ( 1 ) 对于一定板厚有一个合适的通电量( 厶o ) ，厶取决于所焊材料的 种类而与板厚无关，所以通常先按被焊材料选择l ，然后再按板厚决定0 。 不同材料及厚度的厶和可参考图i - 6 选择。当焊接薄板时，l 应选的低 于图示的数值，同时适当延长岛；当焊接厚板时，厶稍高于图示数值，并适 当缩短k 。 ( 2 ) 五与要相互匹配，应保证电弧不灭和熔池在夸时间得以凝固。 ( 3 ) r 。和风值较大时，脉冲特点较显著，有利于克服热裂纹，但过 大会增加咬边倾向。需在焊接过程中和焊接速度进行合理调节来控制熔透 率，避免产生热裂纹和咬边。 ( 4 ) 焊接速度要和脉冲频率相匹配，以保证焊点间距的要求，他们之 间的关系是： ，。= v 1 2 1 6 f ( 3 7 ) 式中0 焊点间距( m m ) ； v r 一焊接速度( c m m i n ) ； 卜脉冲频率( h z ) 。 0 不能太大，否则焊点之间无重叠量，而得不到连续致密的焊缝，常用 频率一般低于1 0 h z 。 西安石油人! 学硕士学位论文 图1 - 6 各种材料及顿厚的脉冲电流参数 1 3 6t i g 管焊机的应用及发展现状 在管子环缝全位置氩弧焊接中，多数选用钨极氩弧焊机，进行脉冲氩弧 全位置焊接工艺。因此该类焊机品种较多。焊机结构及程序控制与普通直流 氩弧焊机相似，差别在于焊接电流周期性地从基值电流跃增至脉冲电流，每 个脉冲形成一个焊点，一个个相互重叠的焊点组成连续焊缝。脉冲氩弧焊所 用电源均为下降外特性，可以采用单电源或双电源供电u 引。例如，n z a 3 0 0 9 型程序控制钨极脉冲氩弧焊全位置焊管机，是为电站锅炉、石油化工、原子 能和造船等工业中的管道焊接而研制的。焊机能全位置对接焊管径中3 0 4 5 m m 的不锈钢、合金钢、碳钢等管道。不加填丝、不开坡口、一次可焊管 壁厚1 5 m r n ，填丝时管壁厚度可适当地增加。焊接中4 2 r a m 管子时，焊炬 可通过的最小管距为5 4 m m 。该类t i g 管焊机的电源部分采用z d g l 3 0 0 型 脉冲焊接整流器，它是多用途焊接电源。其输出电流可以是矩形波或阶梯形 脉冲电流，也可以是一般的直流焊接电流。脉冲电流的参数均可单独调节， 其外特性可以调节成陡降型的，也可调成缓降型且可调外特性陡度，以供不 两安干i 油大学硕十学位论文 同工件焊接的需要。焊机的程序控制器系统用晶体管和电磁继电器相结合的 电路口0 。8 0 年代末，国内研制出晶体管电源小口径全位置自动焊机，用于 电站锅炉高温过热器组合中。晶体管电源采用大功率晶体管作为调节元件， 具有垂直陡降外特性的j 叵流源。其特点是稳定性好，抗干扰能力强，便于控 制，工作范围宽。控制系统采用数码调节的模拟运算系统，数码调节结构线 路简单可靠、调节方便，易满足工艺要求。进入9 0 年代，随着逆变技术的 出现，其应用于弧焊电源。控制系统也随着微型电子计算机的应用而日趋完 善和智能化1 2 1 2 2 1 2 3 1 。 全位置焊管机头的种类很多，一般有链轮式和钳式两类。链轮式多数用 于焊接大直径管道，其采用磁性轮或软性链条或冲孔钢带等将装有焊炬的焊 接小车固定在被焊管子上作爬行，从而实现管子固定、机头旋转的全位置自 动焊。钳式机头多数用于焊接管径小于2 2 0 m m 的中、小直径管子。方法一 般用t i g 焊具有侧填焊丝式或不加填丝式两种进行全位置自动焊。钳式机 头中，不加填丝式机头结构最简单，机头只需用一个微电机，一套减速机构， 带动一套装有焊炬的旋转块，就可实现焊炬自动绕管子一周完成焊接的全位 置焊。这种形式的机头属于“无辫式”不加填丝的钳式机头。所谓“无辫式”， 即电缆和气管不随焊枪旋转而旋转。具有自动填丝能力的钳式机头结构较复 杂。此类机头的设计方案一般是采用两台微电机、两套减速器分别带动旋转 块和送丝轮完成旋转和送丝功能。该类机头的优点是，可分别调节旋转和送 丝的速度，缺点是机头重量大，难以实现“无辫式”旋转【l 9 1 。 据资料f 1 9 】介绍，国外全位置自动管焊机发展很快，应用相当广泛。上 世纪7 0 年代初期，英国市场上已有1 2 种管道自动t i g 焊设备。美国几家 有名公司，例如霍伯公司、电弧公司、米勒公司也生产不少种自动t i g 焊 管机，a m 。1 l 型焊机是其中一种，该焊机可全位置焊直径t l , 5 0 8 1 0 6 6 m m 的管孑，厚度可达7 6 r a m 。焊机配有两种机头，焊小管径的是不加填丝式机 头，焊大管径的是填丝式机头。电源是晶体管式的。焊机根据管道材料不同、 管径和壁厚不同、坡口和位置不同，可选择6 种不同的焊接方式。瑞典伊萨 公司生产的全位置焊管机，例如p r o t i g 2 5 0 型焊机是一种有数种不同焊接 幽安石油大学硕士学位论文 程序内存能力的程序控制钨极气体保护焊机。焊机内装有微机控制各程序和 工艺参数，通过相应的数字键和功能键，可将所需参数输入机内，如焊接电 流、焊接总时间、焊接速度、送丝速度、脉冲时间、停止时间、电流缓升和 衰减率、气体提前和延时等等。它的附件一磁卡可扩大程序存储容量，并可 将焊接程序记录下来或按需要转录到其它同类焊机上。焊机电源为晶闸管 式，焊机可配各种机头，其中a 2 1 型机头为管子对接焊用，有四种规格： 币1 8 4 0 、由3 6 8 0 、巾7 1 1 6 0 和由1 4 0 2 2 0 m m 。焊机输出最小电流为 8 a ，最大电流为2 5 0 a ，利用高频引燃电弧。日本三菱和日立公司也生产全 位置自动焊管机。其中日立公司研制的h i d i c 0 8 型电予计算机控制的管道 全位置自动t i g 焊机，机头上装有磁性传感器和小型电视摄相机可进行遥 控，焊接过程可用数字显示和记录装置进行显示和记录。焊接电源采用晶体 管开关电路，脉冲频率范围：低频脉冲时为o 2 2 0 h z ，高频脉冲时为2 0 2 0 0 h z ，机头行进速度3 0 4 0 0 m m m i n 瞄“。 1 4 本章小结 ( 1 ) 由于径向水平井生产管的工作环境极为恶劣，且其在径向水平井 中扮演着重要角色，因而对其焊接接头质量提出了更高的要求，以往的手工 及半自动焊存在一定的局限性，使得对生产管的全位置自动化焊接技术备受 关注。 ( 2 ) 钨极脉冲氩弧焊技术发展已十分成熟，其在各方面表现出的特点 十分适合生产管的全位置自动化焊接。 第二章u r r s 生产管的材料及焊接设备 第二章u i 汛s 生产管的材料及焊接设备 2 1 材料的化学成分及性能特点 试验用材料为国产1 4 无缝钢管，属于高强度低合金钢( h s l a ) 。由于 该材料涉及他人科研成果，故其化学成分这里不便于列出。 该材料属于高强度低合金钢种，具有优良的强韧性，主要通过其冶金设 计和轧制过程的控制来实现。其中加入多种合金元素，对提高强度和韧性起 了重要作用：s i 、c u 等强碳化物形成元素溶入铁素体后，形成合金铁素体， 起到固溶强化作用；加入碳化物形成元素c r 形成合金渗碳体，以细小质点 且均匀分布在基体中，起到弥散强化作用；合金元素c r 、s i 、m n 含量的控 制，使得在强化基体的同时，又可以提高韧性【2 5 】；有害元素s 、p 的有效控 制降低了钢材的热脆性和冷脆性，并起到净化作用，提高韧性。 2 2 材料的可焊性分析 2 2 1 冷裂纹敏感性 焊接冷裂纹是焊后冷却到马氏体转变点m 。附近2 0 0 3 0 0 温度下产生 的裂纹。但有时在冷却到一定温度立即出现，有时要经过几小时，几天甚至 更长时间的潜伏期后才产生，因此又称为延迟裂纹。冷裂纹经常出现于熔合 线附近、受激冷淬硬的焊波、热影响区粗晶带内，焊缝金属中发生较少。但 在用化学成分接近母材的填充金属焊接时，则在焊缝金属内较易产生冷裂 纹。导致冷裂纹形成的三要素为：有淬硬组织、相当高的含氢量和一定的应 力作用。目前，由氢致冷裂纹的概念发展，认为并非所有冷态下产生的裂纹 都与氢的活动有关。一般认为：热影响区和焊缝金属的淬硬组织、拘束应力 与组织转变应力是导致冷裂纹的先决条件；氢是激发冷裂纹的最活跃的因素 【2 6 】 2 7 1 。 淬硬组织首先指对冷裂纹敏感性最强的孪晶马氏体，其次为低碳马氏 体、贝氏体、铁索体与珠光体混合组织等。近缝区淬硬组织取决于化学成分、 含氢量、焊接规范和冷却条件等。在实际生产中，碳当量( c e ) 法是用钢 材的化学成分间接评价焊接热影响区( h a z ) 冷裂纹倾向最常用的方法之一 1 2 q 。一般c e 值越大，焊缝h a z 冷裂倾向越大，可焊性差，经验表明c e 两安l i 油大学硕士学位论文 0 4 0 将产生淬硬组织，易引起h a z 冷裂。采用国际焊接学会i i w 及日本 j i s 、w e s 标准规定的碳当量公式计算出国产l4 无缝管材的c e 为o 4 2 0 4 3 。可见，该钢种具有一定的淬硬倾向，在低温、小规范、大刚性条件下 有可能出现淬硬组织或裂纹。 应该指出，用c e 来估计冷裂纹倾向的大小只用于对钢材焊接性从理论 上的初步分析。此外，由于焊接母材原有的氢和焊接时焊缝金属吸收的氢是 导致h a z 冷裂纹的重要因素，因此，对于给定焊接材料应在严格控制焊接 时吸氢量的同时加强坡口清理。 2 2 2 热裂纹敏感性 热裂纹的广义理解为“由结晶偏析引起的物理、化学不均匀性所诱发， 并在一定应变率作用下沿高温液相晶界产生的开裂现象”。其( 主要指结晶 裂纹) 形成机理研究表明，产生热裂纹的主要原因有两点：一方面是冶金因 素，即结晶时脆性温度区间的大小和低熔共晶物形态及数量。焊缝结晶过程 中脆性温度区越大，低熔共晶物越多，且呈薄膜状越易产生热裂纹。另一方 面是力学因素，即焊接时焊缝结晶冷却收缩产生的拉应力，它与焊接结构刚 度，焊接位置、工艺，材料物理性能等有关，产生的应力越大，越易导致裂 纹【2 8 】。 在焊接结构形式，焊接工艺确定后，防止热裂纹的主要措施是控制低熔 共晶物的数量和形态。硫、磷是增加热裂倾向最有害的元素，一方面促使脆 性温度区增大，另一方面可在材料中形成多种低熔点共晶物，而在结晶过程 中极易形成液态薄膜，隔离晶界之间的联系，产生热裂纹。硫、磷的有害作 用随含碳量的增加而增加。当含碳量为0 1 6 以下时，主要是硫起作用【2 6 】。 因此，防止热裂纹产生的一个根本措施是严格控制材料中的s 、p 、c 含量。母材的s 含量要控制在0 0 3 以下，p 含量要在o 0 4 以下。其次要 设法改变低熔点共晶物的形态，为防止s 引起的结晶裂纹，通常加入一定量 的m n 能置换f e s ( 薄膜状) 而形成m n s ( 球状) ，起到脱s 的作用，同时 也改变了硫化物的分布形态，从而提高了焊缝金属的抗裂性能。实践证明， 当材料的m n s ，5 9 时，可避免结晶裂纹产生。对国产1 4 无缝钢管而言，其 西安石油大学硕士学位论文 m n s 约为5 3 ，有一定热裂倾向，但由于该焊接结构壁厚仅3 m m ，刚度小， 在工艺上采取一定措施可防止热裂纹的产生。 2 2 3 焊接接头的组织与性能 高强度低合金钢焊接接头的组织与性能与所采用的焊接方法、焊接材料 及工艺规范参数密切相关。对于此类材料，一般采用的焊接方法是气体保护 焊和手工电弧焊，在焊接材料选择上采用等强原则【2 7 1 。此时得到的焊缝组织 为珠光体+ 铁素体，h a z 可能含有贝氏体组织，正火区为细化了的珠光体+ 铁索体。接头强度可达到母材的强度，且抗裂性良好。 焊接时如果线能量较小，且冷却速度较快，将有淬硬组织出现，在焊缝 和h a z 都有可能出现裂纹和撕裂。如果线能量过大，且冷却缓慢，容易在 焊缝和h a z 产生魏氏体组织，大量的魏氏体组织会极大的降低接头强度和 抗裂性。此外，h a z 的不完全重结晶区是粗大铁素体和珠光体组织，晶粒 大小不一，使得机械性能极不均匀，成为焊接接头的一个薄弱环节。 焊接过程加热及冷却的特点，使得焊接接头成为一个组织和性能及不均 匀体。为保证整个焊接接头的机械性能，必须对焊接工艺规范参数进行严格 控制。 2 3i s r _ r s 生产管的焊接设备 2 3 1o r b n 1 2 5 0 c 管焊机简介 o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机主要包括主电源o r b i m a t 2 5 0 c 、开敝式焊头 m 1 1 5 ( 适用范围o d 2 51 1 5 m m ) 和密闭式焊头o w 3 8 s ( 适用范围o d 8 3 2 r a m ) 三部分。 主电源o r b i m a t 2 5 0 c ( 见图2 一1 ) 是当今最先进的微机智能型管焊机 专用电源，采用稳定可靠的逆变技术，输出电流精确稳定( 5 2 5 0 a ) ；直 流脉冲输出电流使本设备可焊接不锈钢、碳钢、高强合金、耐热合金等各种 金属。结构紧凑轻便( 含冷却水箱重4 7 k g ) 。不但适合室内大批量焊接生产， 也非常适合野外现场施工使用。人机对话功能允许用户通过面板内置键盘和 外置标准键盘输入、修改、存储或删除焊接参数或程序，并可在授权范围内 在线调整焊接参数。9 英寸可视屏幕用来实时显示焊接工艺参数。标准机型 两安石油大学硕士学位论文 已包括送丝机构驱动程序，因此本电源可和o r b i m a t i c 系列任何一款管一 管或管一板焊接头直接连接使用而无须任何其他附件。焊接电源9 9 段焊接参 数可编程，每段电流延时平滑过渡。可选脉冲功能，通过外接键盘或个人计 算机可将焊工名字，钨极直径，母材材料及板厚等特征参数作为焊接程序的 一部分保存在机内存储器上或储存与于软盘、硬盘及可刻度光盘上。标准内 存可储存3 0 0 个焊接程序，一个标准扩充存储卡可储存程序5 0 0 个，所有焊 接参数可通过内置打印机或外部标准打印机实时打印。标准软件包含点焊功 能。用户可根据需要设定点焊数，点焊时间。点焊完成后自动进入既定的焊 接程序。焊头转动及送丝均可选择平稳或脉动方式，有利于控制焊缝深宽比， 保证焊接质量。系统可工作在两种状态下：调教状态和生产状态，两者通过 钥匙开关选择。在调教状态下，允许通过面板键盘或遥控器修改，或要选择 的存储和删除所有焊接参数。在生产状态下，焊工只可以调用已存储的焊接 程序，以避免误修改既定焊接规范。内置气体流量、冷却水压和温度传感器， 保障设备运行安全。 主电源主要技术参数见表2 1 。 表2 - 1主电源主要技术参数 输入电压( 三相) v允许网压波动范围输出电流a暂载率空载电压v 4 0 02 0 + 2 5 5 2 5 02 5 0 a 1 6 0 ( 1 9 0 a ，1 0 0 )1 0 6 图2 - 1o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机主电源 开敞式焊头m 1 1 5 适焊管径由2 5 1 1 5 m m ( 外径) ，精确的三爪定位系 1 7 西安石油大学硕士学位论文 统，调节方便，定位牢固准确，在整个焊头适用范围内无级调节。焊接时焊 枪在全封闭的轨道内平稳移动防止污染。送丝机宜接安装在焊头上并靠近焊 枪，确保与脉冲电流响应同步送丝，从而克服长距离推拉式送丝导致的送丝 与脉冲电流不同步响应的问题。t i g 焊枪角度可旋转9 0 。4 5 。，因此本 焊头除可以焊接管平口对接外，还可以焊接角焊缝，t 型接头，法兰等。具 有独特的机械式弧长控制系统，确保焊接规范不因管件椭圆度影响而稳定实 现。精确的微型十字滑块，即使在焊接期间也可以对电机进行精确微调。一 个微型的旋转带位移的焊丝导向机构确保焊丝稳定地从最合适的角度将焊 丝送进熔池中。 密闭式焊头w 3 8 s 适焊管径由8 3 2 m m ( 外径) 。特别的冷却流道设计， 确保焊头冷却良好，负载能力高。封闭式结构使焊接区域始终处于氩气保护 下，最大限度地避免焊缝氧化。焊头夹紧精确可靠，拆装简单快捷，确保焊 接高效质优。焊头手柄上内置指令开关，无需外加遥控器。 2 3 2o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机内置焊接参数专家系统分析 o r b i m a t 2 5 0 c 管焊机内置焊接参数专家系统，属于智能网络专家系 统。通过输入焊接对象的基本信息，该系统根据其内部数据结构自动生成一 套焊接工艺参数。在主界面按下“a m p + ”键，即进入专家系统的交互界 面。输入的对象基本信息为： a 焊接机头的选择在“w e l d h e a dt y p e ”项后键入任意数字，回车后， 屏幕进入机头选择界面，通过方向键可选择m 1 1 5 填丝机头。 b 材料的选择在“m a t e r i a l ”项后键入任意数字，回车后，屏幕即进 入材料选择界面。可供选择的材料有：4 3 0 1 ，4 4 0 4 ，4 4 3 5 ，4 5 7 1 ，t i ，4 4 3 0 ， 3 1 6 l ，s t 3 7 ，s t 5 2 。由于所列材料有限，多数情况焊接对象并未在列表中， 这时可选择与其化学成分和性能接近的材料来代替。 c 保护气体种类选择在“a r cg a s ”项后键入任意数字，回车后，进入 选择界面，可供选择的保护气体有：a r1 0 0 ，a r i - 1 2 2 ，a rh 2 5 。 d 管外径( r a m )在“t u b ed i a m e t e r ”项后键入数值即可，对m 1 1 5 机 头允许值为3 1 1 5 m r n 。 曲蛋白油犬掌坝士宁位论文 e 壁厚( r a m )在“w a l lt h i c k n e s s ”项后键入数值即可，在外径为3 2 m m 时，允许值为0 4 4 0 m m 。 待对象基本信息输入完毕后，按“a m p 叫一”键，系统将生成一套焊接 参数。附表1 为输入表2 - 2 所示信息后生成的焊接参数，通过比较可得出以 下结论： 表2