1、采 气 树 制 作 中 异 种 钢 的 焊 接 分 析华 东 石 油 局 井 下 作 业 公 司 陈 海 华摘 要 ： 某 改 进 型 采 气 树 的 制 作 中 ，涉 及 到 45 钢 、36Mn2V 钢 与 Q235 的 异 种 钢 焊 接 。围 绕 这 三 种 母 材 的 异 种钢 焊 接 ，本 文 从 母 材 成 分 、组 织 ；异 种 钢 焊 接 难 点 ；焊 接 方 法 、焊 材 及 焊 接 参 数 的 选 择 ；预 热 及 焊 后 热 处 理 等 方 面 进 行 了 分析 ，制 定 出 相 应 的 焊 接 工 艺 。关 键 词 ： 45 钢 36Mn2V Q235 异 种 钢 焊
2、 接0 前 言 煤 层 气 是 一 种 非 常 规 的 天 然 气 ，作 为 清 洁 的 替 代 能 源 ，开 发 利 用 方 兴 未 艾 。煤 层 气 的 地 面 采 气 设 备 主 要 是 螺 杆 泵 配250 型 采 油 树 井 口 装 置 或 抽 油 机 配 150 型 采 油 树 井 口 装 置 ，施 工 中 因 两 套 装 置 的 连 接 法 兰 不 能 兼 容 和 互 换 ，既 不 利 于 优化 采 气 工 艺 ，又 为 施 工 带 来 不 便 。现 场 亟 需 一 种 能 同 时 满 足螺 杆 泵 和 抽 油 机 连 接 要 求 的 专 用 采 气 井 口 。图 1 便 是 一
3、 种 改1进 的 实 用 新 型 煤 层 气 井 口 采 气 树 ，它 具 有 结 构 简 单 、重 量 轻 、制 作 工 艺 简 单 、成 本 低 等 优 点 ，满 足 了 生 产 的 需 要 。图 1 新 型 采 气 树该 装 置 主 要 由 套 管 短 节 1、接 管 2、下 法 兰 3、上 法 兰4、油 管 接 箍 5 等 组 件 通 过 焊 接 加 工 而 成 ，见 图 2。其 中 ，上 、下 法 兰 材 质 为 Q235 钢 ，油 管 接 箍 是 45 钢 ，套 管 短 节 是 低 合金 钢 36Mn2V，显 然 上 法 兰 与 油 管 接 箍 的 连 接 焊 缝6（Q235+45
4、 钢 ）、下 法 兰 与 套 管 短 节 的 连 接 焊 缝7（Q235+36Mn2V）均 为 异 种 钢 焊 缝 ，为 了 获 得 性 能 良 好 的 焊缝 ，必 须 制 定 合 理 的 焊接 工 艺 原 则 对 焊 接 质 量 进 行 控 制 。1 母 材 成 分 及 性 能 对 焊 接 性 的 影 响 。1.1 成 分 的 影 响21345 671 套 管 短 节 2 接 管 3 下 法 兰 4 上 法 兰 5 油 管 接 箍 6 上 法 兰 焊 缝 7 下 法 兰 焊 缝图 22该 装 置 所 涉 及 的 三 种 母 材 组 织 差 异 不 大 ，36Mn2V 和 45钢 均 为 珠
5、光 体 +铁 素 体 组 织 ，Q235 为 铁 素 体 +珠 光 体 组 织 ，但化 学 成 分 及 其 质 量 分 数 差 异 较 大 ，母 材 中 各 种 元 素 对 焊 接 性的 影 响 也 各 不 相 同 。碳 、硫 、磷 、氢 、氧 及 合 金 元 素 锰 、硅 、铬等 都 在 不 同 程 度 上 有 增 加 焊 接 接 头 淬 硬 倾 向 和 裂 纹 敏 感 性的 可 能 ，并 且 随 着 含 碳 量 和 合 金 元 素 含 量 的 增 加 而 恶 化 。表1 为 45 钢 、36Mn2V 和 Q235 的 化 学 成 分 对 比 。1.2 主 要 力 学 性 能 及 碳 当 量
6、 的 影 响母 材 的 强 度 和 碳 当 量 对 焊 接 性 有 很 大 影 响 ，碳 当 量 越 大 ，材 料 的 焊 接 性 越 差 。由 表 1 和 表 2 可 以 看 出 ：（1）Q235 钢 属 低 碳 钢 ，焊 接 性 优 良 ，通 常 情 况 下 不 会 因焊 接 而 引 起 严 重 的 硬 化 组 织 或 淬 火 组 织 ，塑 性 和 冲 击 韧 度 良好 。（2）45 钢 属 高 强 度 中 碳 钢 ，焊 接 性 较 低 ，具 有 一 定 的 塑性 和 韧 性 。（3）36Mn2V 属 中 碳 低 合 金 钢 ，焊 接 性 差 ，具 有 较 高 的 强度 和 耐 磨 性 。
7、表 1 母 材 成 分 对 比化 学 成 分 （质 量 分 数 ）（%）母 材种 类 C Si Mn S P Cr Ni Cu V Al45 钢0.42-0.500.17-0.370.50-0.800.0350.035 0.25 0.25 0.25 Q2350.14-0.220.300.35-0.650.05 0.045 0.03 0.03 0.03 36 Mn2V0.34-0.380.20-0.351.45-1.700.02 0.01 0.15 0.11-0.160.02表 2 强 度 、塑 性 及 碳 当 量 对 比母 材 种 类 抗 拉 强 度b（MPa） 屈 服 强 度s（MPa） 伸
8、 长 率 碳 当 量45 钢 600 355 16% 0.71Q235 375 460 235 26% 0.34336 Mn2V 689 552 16% 0.732 焊 接 中 的 主 要 问 题2.1 焊 接 的 难 点虽 然 三 种 母 材 同 为 珠 光 体 组 织 ，但 由 于 成 分 、强 度 、焊 接性 的 差 异 ，它 们 之 间 焊 接 与 同 种 钢 的 焊 接 相 比 ，存 在 不 同 的问 题 。（1）焊 接 过 程 中 由 于 受 热 不 均 匀 引 起 金 相 组 织 的 变 化 而 使 焊接 接 头 的 性 能 变 差 ；（2）熔 合 区 及 热 影 响 区 的 机
9、 械 性 能 ，特 别 是 塑 性 的 降 低 ；（3）由 于 基 体 金 属 热 膨 胀 系 数 不 同 而 引 起 热 应 力 ；（4）因 塑 性 变 差 和 应 力 增 加 往 往 容 易 引 起 裂 纹 ；（5）接 头 中 过 渡 区 的 存 在 ，也 会 增 加 裂 纹 的 机 率 。2.2 焊 接 接 头 的 不 均 匀 性异 种 钢 焊 接 时 ，由 于 填 充 金 属 及 两 种 母 材 之 间 的 化 学 成分 存 在 差 别 ，焊 后 焊 缝 金 属 的 成 分 是 不 均 匀 的 。在 多 道 焊 的根 部 焊 缝 和 靠 近 高 含 碳 量 母 材 一 侧 的 焊 缝
10、中 ，因 为 熔 合 比 高 ，使 焊 缝 中 的 含 碳 量 增 高 。这 种 成 分 的 不 均 匀 性 在 经 历 了 焊 接热 循 环 作 用 之 后 ，焊 接 接 头 各 区 域 的 金 相 组 织 也 将 不 同 ，再加 上 焊 接 方 法 、焊 接 工 艺 参 数 、是 否 热 处 理 等 因 素 的 影 响 ，局 部 往 往 还 会 出 现 更 复 杂 的 组 织 结 构 。化 学 成 分 和 金 相 组 织 的 不 均 匀 又 会 造 成 焊 接 接 头 力 学 性能 的 不 均 匀 性 ，使 近 缝 区 的 塑 性 、韧 性 变 差 ，甚 至 引 起 含 碳量 高 的 母
11、材 一 侧 焊 缝 熔 合 线 上 产 生 冷 裂 纹 。3 焊 接 方 法 的 选 择大 部 分 熔 焊 和 压 焊 方 法 都 可 以 用 于 异 种 钢 的 焊 接 ，但 焊条 电 弧 焊 具 有 操 作 方 便 ，焊 条 种 类 多 且 视 不 同 的 异 种 钢 组 合可 灵 活 选 用 等 优 点 ，除 长 焊 缝 、大 批 量 流 水 作 业 以 及 不 适 合熔 焊 方 法 的 作 业 外 ，都 可 选 用 焊 条 电 弧 焊 。该 井 口 装 置 的 两处 法 兰 焊 缝 相 当 于 两 道 环 形 平 角 焊 ，选 择 焊 条 电 弧 焊 是 较 合适 的 。44 焊 接
12、材 料 的 选 择异 种 钢 焊 接 成 功 与 否 ，焊 接 材 料 起 关 键 作 用 。必 须 按 照母 材 的 化 学 成 分 、性 能 、接 头 形 式 和 使 用 要 求 等 综 合 考 虑 ，总 体 上 有 四 个 基 本 原 则 ：（1）所 选 所 选 材 料 必 须 保 证 异 种 钢 焊 接 接 头 能 够 满 足 设 计 所需 的 性 能 ；（2）所 选 所 选 材 料 必 须 在 有 关 稀 释 率 、熔 化 温 度 和 焊 接 件 其他 物 理 性 能 要 求 等 方 面 保 证 焊 接 性 需 要 ；（3）在 焊 接 接 头 不 产 生 裂 纹 等 缺 陷 的 前
13、提 下 ，当 不 能 兼 顾 焊缝 金 属 的 强 度 和 塑 性 时 ，应 优 先 选 用 塑 性 好 的 填 充 金 属 ；（4）焊 接 材 料 应 经 济 、易 得 ，并 具 有 良 好 的 焊 接 工 艺 性 能 ，焊缝 成 形 美 观 。对 于 同 类 型 的 异 种 钢 焊 接 ，焊 材 的 选 用 有 两 个 方 案 ：一是 采 用 珠 光 体 类 焊 条 加 预 热 ；二 是 采 用 奥 氏 体 焊 条 不 预 热 。因 奥 氏 体 焊 缝 存 在 屈 服 强 度 不 高 的 问 题 ，从 生 产 实 际 出 发 ，决 定 选 用 低 匹 配 的 低 氢 型 焊 条 J427。
14、它 具 有 一 定 的 脱 硫 能 力 ，熔 敷 金 属 塑 性 和 韧 性 良 好 ，扩 散 氢 含 量 又 少 ，所 以 既 可 保 证接 头 的 抗 拉 强 度 不 低 于 Q235 母 材 ，又 能 保 证 焊 缝 金 属 的 抗裂 性 能 和 塑 性 。焊 前 经 350 400烘 干 1h，放 入 保 温 桶 中 备用 。5 焊 接 工 艺 参 数焊 接 工 艺 参 数 对 熔 合 比 有 直 接 影 响 ，热 输 入 量 越 大 ，母材 熔 入 焊 缝 越 多 ，这 对 异 种 钢 接 头 是 不 利 的 。焊 接 热 输 入 又取 决 于 焊 接 电 流 、焊 接 速 度 等
15、焊 接 工 艺 参 数 。因 煤 层 气 井 具有 井 口 压 力 低 （ 1Mpa）、井 下 管 注 少 （一 般 500m 左 右 ）的特 点 ，所 以 对 采 气 树 的 制 作 工 艺 要 求 相 应 降 低 ，上 、下 法 兰均 采 用 角 焊 缝 ，其 他 参 数 的 选 择 主 要 考 虑 对 熔 合 比 有 利 ，具体 参 数 见 表 2。表 2 主 要 焊 接 参 数焊 条牌 号焊 条 直 经(mm)焊 接 电 流(A)焊 接 速 度（mm min）焊 接层 次电 流种 类J427 3.2 110 120 80 100 两 层三 道 直 流反 接6 预 热 及 焊 后 热 处
16、 理5珠 光 体 钢 的 碳 当 量 不 仅 是 评 价 其 淬 硬 和 脆 化 倾 向 的 重 要指 标 ，也 是 该 类 异 种 钢 接 头 是 否 需 要 预 热 、预 热 温 度 多 高 的依 据 。通 过 对 三 种 珠 光 体 钢 的 碳 当 量 计 算 （见 表 2），45 钢 和36 Mn2V 的 碳 当 量 均 大 于 0.6%，可 见 ，它 们 的 淬 硬 倾 向 大 ，焊 接 时 有 较 明 显 的 裂 纹 倾 向 ，焊 前 需 预 热 到 200250。这样 可 以 控 制 焊 接 冷 却 速 度 ，减 少 或 避 免 热 影 响 区 中 淬 硬 马 氏体 的 产 生
17、，降 低 热 影 响 区 的 硬 度 ，同 时 还 可 以 降 低 焊 接 应 力 ，并 有 助 于 氢 从 焊 缝 接 头 中 逸 出 ，从 而 降 低 焊 接 接 头 的 裂 纹 倾向 。Q235 碳 当 量 小 于 0.4%，淬 硬 倾 向 小 ，焊 接 时 ，一 般 不 需要 预 热 、控 制 层 间 温 度 和 后 热 ，焊 后 也 不 必 采 用 热 处 理 改 善组 织 。但 该 装 置 中 法 兰 的 厚 度 达 60mm,焊 接 时 散 热 较 快 ，焊后 会 产 生 较 大 的 拘 束 应 力 ，增 加 接 头 裂 纹 倾 向 ，所 以 Q235母 材 也 需 进 行 预
18、热 ，降 低 散 热 速 度 。按 照 珠 光 体 异 种 钢 焊 接时 按 淬 硬 倾 向 较 大 的 钢 种 进 行 预 热 的 原 则 ，Q235 母 材 按 与之 连 接 的 45 钢 或 36 Mn2V 的 规 范 进 行 处 理 。焊 后 热 处 理 温 度 的 选 择 也 按 碳 当 量 较 高 的 钢 种 进 行 ，对珠 光 体 异 种 钢 接 头 焊 后 立 即 进 行 600650回 火 处 理 ，可 以改 善 焊 缝 金 属 和 近 缝 区 的 组 织 和 性 能 ，消 除 部 分 焊 接 残 余 应力 ，并 促 使 焊 缝 中 的 氢 逸 出 ，防 止 45 钢 和 3
19、6 Mn2V 一 侧 的近 缝 区 产 生 冷 裂 纹 。7 结 论通 过 以 上 措 施 的 实 施 ，所 得 异 种 钢 焊 接 接 头 经 MT 检 验未 出 现 裂 纹 ，各 项 性 能 指 标 满 足 设 计 和 使 用 要 求 ，使 这 种 改进 的 煤 层 气 井 口 采 气 树 顺 利 的 应 用 于 生 产 ，扭 转 了 煤 层 气 排采 现 场 一 种 井 口 装 置 不 能 同 时 满 足 两 种 采 气 工 艺 要 求 的 现状 。参 考 文 献焊 工 手 册 机 械 工 业 出 版 社 2001焊 工 技 师 手 册 机 械 工 业 出 版 社 1998焊 接 手 册 机 械 工 业 出 版 社 20016
