钻机基座箱形梁的焊接工艺及变形控制

钻机基座箱形梁的焊接工艺及变形控制

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宝鸡石油机械有限责任公司陕西宝鸡721000

摘要：石油钻机的基座箱形梁为箱形焊接结构，是石油钻机立柱的支撑构件。钻机底座的起升是通过立柱实现的，因而对于支撑立柱的箱形梁的焊接质量和变形控制有着严格的要求。

根据箱形梁的特点并结合我公司的实际条件，经多次工艺试验制定了合理的焊接方法和工艺措施，不但解决了箱形梁的焊接变形问题，而且焊后对其焊缝进行无损探伤，也达到了相关的标准。

关键词：钻机；箱形梁；焊接工艺；焊接变形控制

前言

石油钻机是适用于石油开采的专用设备，ZJ70/4500DB交流变频钻机是我公司主导产品之一，其底座属于大型钢结构产品，底座包括左、右基座，上座等，其中左右基座中的前后箱形梁是支撑前后主柱的支撑构件。为了保证钻台上铺台的平面度误差≤3㎜，除了要保证立柱耳座镗孔及组合误差之外，前后箱形梁的焊接质量也至关重要。箱形梁采用手工焊接，制造箱形梁的尺寸为2320㎜×725㎜×520㎜、板厚20㎜、重量为1070Kg、材质为Q345B，要求焊后箱形梁变形不超过3㎜，以保证钻台面铺台的平面度，因此，在制造过程中既要保证焊缝质量，又要对箱形梁的变形量进行严格的控制。在生产中只有采用合理的焊接工艺和控制焊接变形的有效措施，才能保证产品质量，使其达到工艺和装配性能要求。

1、材料焊接性分析

Q345B钢是常用的低合金结构钢。碳含量为≤0.20％（化学成分分析见表1、力学性能分析如表2），碳当量CE≈0.46%时淬硬性逐渐明显，公式如下：

CE=[C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5]%

随着含碳量的增加，钢的强度提高，淬硬性增加，塑性和韧性降低，焊缝和热影响区产生裂纹的敏感性增加，使钢的焊接性变差；在低温下或大刚性、大厚度条件下生产焊接结构件时，要采用较大的焊接规范并注意填满孤坑，所以焊前应进行100℃～150℃的预热，可以减少冷裂倾向。

2、焊接方法的确定

焊接过程中，焊件所受热量越多，受热的体积越大则焊件扭曲和弯曲变形的程度就越严重，根椐被焊工件和我厂的实际条件，从焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种焊接方法中进行对比选择。焊条电弧焊因焊接速度慢，受热面积大，使得焊接变形大，而CO2气体保护焊的电流密度高，电弧热量集中，焊件加热面小，且CO2气体具有较强的冷却作用使得焊接影响区较窄，焊接变形小，生产效率高，所以在实际生产中采用CO2气体保护焊的方法进行焊接。

3、焊丝的选取

CO2焊丝分两类：实芯焊丝和药芯焊丝。尽管常用的实芯焊丝（ER50-6）价格低廉，适用性广，但在焊接过程当中，飞溅大，成型较差；而药芯焊丝融化系数高，焊接电流只流过药芯焊丝的金属表皮，其电流密度非常高，产生大量的电阻热，使其融化速度比相同直径的实芯焊丝高，是实芯焊丝生产效率的1.5-2倍。药芯焊丝内部装有焊药，焊药中可以添加大量的稳弧剂、合金剂、造气剂等。焊接过程中熔化的母材金属，焊丝金属和焊剂之间发生冶金反应，改善焊缝金属成分，并在熔池的上面形成一层熔渣，与CO2气体形成气渣联合保护，使焊缝产生气孔的倾向大大减少，而且成型比实芯焊丝美观。为了保证焊缝的质量，满足设计要求，通常选用药芯焊丝（TWE-711Niφ1.2mm）。用药芯焊丝代替实芯焊丝是气体保护焊在技术上的一大进步。

4、焊前准备

（1）坡口制备

焊接坡口的加工可以采用机械加工，火焰切割，碳弧气刨等方法。其中机械加工成本高，碳弧气刨有局限性（只适用于短小焊缝）。从经济性、实用性以及结合我厂的现状考虑，采用火焰切割较为合适。

（2）焊前清理

用砂轮将坡口及其两侧30mm范围内的铁锈和油污等打磨清理干净，露出金属光泽。

（3）焊接平台要求

焊接平台的平面度在3㎜以内，并且定期（一般为半年）进行测平、修正（否则会引起焊接件扭曲或弯曲变形）。

5、焊接工艺参数

合理的焊接工艺参数是保证焊缝质量的关键。焊接工艺参数包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度，气体流量。

箱形梁的焊接工艺参数第一层电流为：150-170A电压为：22-23V，第二层电流为：180-200A电压为：23-25V，第三层电流为：200-220A电压为：24-25V，气体流量为：15-20L/min，焊接速度为：20-30cm/min

焊接过程中，焊接规范过小，会造成焊缝内未融合和加渣。而焊接规范过大，焊接操作不容易控制，还会引起热影响区应力集中而造成焊件变形。

6、焊接变形的控制

6.1、箱形梁的组合及定位点焊

焊前工件的装配及定位对焊后的结构变形有很大的影响。箱形梁组装时，要严格按照工艺和图纸要求施工，箱形梁4块板组合时定位焊缝应该对称点固，长度应为5-10mm以保证有一定强度。为了减少组合误差，箱形梁的组合应该在组合平台上进行，并用工艺撑进行刚性固定。施焊应置于焊接平台上进行，这样既有利于工件的翻转，又能使焊缝始终呈现水平状态。

6.2、选择合理的焊接顺序

焊接顺序对控制焊接变形非常重要，正确的焊接顺序能够大大减少焊后的焊接变形。点焊固定后焊件成箱形，焊接时分三层施焊，第一层和第二层分两道焊完。对于相同板厚焊接结构，采用多层焊接可以有效地提高焊缝质量。一方面由于每层焊缝变小而改变了凝固结晶条件，另一方面则因焊后一层时，对前一层焊缝具有附加热处理的作用，从而改善固态相变的组织。第一层施焊焊缝“Ⅰ”。焊缝从中间向两边断续对称焊接，如图所示，第一道依次焊接1→3→4→6，焊缝长约100-150mm，不允许连续焊接，然后翻转工件施焊对角焊缝“Ⅲ”，焊接方法同“Ⅰ”。

焊接过程

以同样的方法焊接焊缝“Ⅱ、Ⅳ”。第二道焊缝在第一道未焊接的地方施焊（如2和5），同样采取从中间向两边继续跳跃对称焊接，焊缝长约为100-150㎜。施焊顺序同样为“Ⅰ”→“Ⅲ”→“Ⅱ”→“Ⅳ”

第二层同样采用第一层焊接方法，对角跳跃对称焊接从中间向两边焊接。

第三层属于盖面焊缝，连续焊接，焊接速度比前两次的速度慢，保证焊缝两边融合线整齐，焊缝表面美观。

6.3、其它注意事项

1.组合箱形梁时间隙应控制在0-2mm。

2.施焊时应将工件放在平直工作台上进行焊接。

3.由两名焊工在两侧对称由中向两端施焊。

4.焊后清除熔渣和飞溅。

结束语

通过采取以上工艺措施，焊接箱形梁一次成功，既保证了箱形梁的焊缝内在和外观质量，又有效的控制了焊接变形，为下工序生产提供了保证。在达到设计要求的基础上，生产效率提高了一倍以上。