摩擦焊機在抽油桿生產中的應用

中國石油玉門油田分公司機械廠 （甘肅酒泉 735009 ） 張小軍 張玉泉 夏 莉

1.概述

抽油桿是抽油設備中的細長桿件，它上接抽油機驢頭，下接抽油泵柱塞，起到將抽油機動力傳遞給抽油泵的作用。我廠生產的抽油桿長度為6～10m，材質為35CrMo合金鋼。由于桿件較長，用車床車削螺紋比較困難，且生產效率低，因此經過調研論證引進了技術比較成熟的焊接方法——摩擦焊。

摩擦焊技術的主要優點歸納為以下幾點：

（1）接頭質量高 由于摩擦焊屬于固態焊接，正常情況下，結合面不發生熔化，焊合區金屬為鍛造組織，所以焊縫不會出現氣孔、夾渣及裂紋等焊接缺陷，焊接接頭強度遠大于熔焊、釬焊的強度，達到甚至超過母材的強度。焊接過程由機器控制，參數設定后容易監控，重復性好，不依賴于操作人員的技術水平和工作態度。

（2）適合異種材質連接 一般來說，凡是可進行鍛造的金屬材料都能進行摩擦焊接。如鋼和純銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等異種金屬的焊接。

（3）生產效率高 對焊件的準備通常要求不高，焊接設備容易自動化，可在流水線上生產。每件焊接時間以秒計，一般只需幾秒至幾十秒，是其他焊接方法所不能相比的。

（4）尺寸精度高 專用摩擦焊機可保證焊后的偏心度為±0.2mm。

（5）清潔無污染 工作時不產生煙霧及有害氣體，不產生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線等。

（6）節能降耗 所需功率僅是傳統焊接工藝的1/5，不需焊條、焊劑、釬料和焊接用保護氣體，不需添加金屬，同時不需消耗電極。

基于摩擦焊具有以上諸多優點，因此被譽為綠色焊接技術。經過幾十年的發展，摩擦焊技術在國內目前已經具備了包括工藝、設備、控制及檢測等一整套完備的專業技術規模，并且在基礎理論研究上形成了一定的獨立體系。

2.摩擦焊機在抽油桿生產過程中的應用

（1）抽油桿傳統生產過程 抽油桿的傳統生產工序：①將10m左右的桿料在專用加熱爐里加熱到可鍛造的組織，然后桿料兩端在鍛壓設備上鍛出圖1所示的形狀。②鍛造好的桿料進行下一步工序——熱處理，首先在淬火爐里加熱到相變點以上的某一溫度后，保溫一段時間，然后放入油里進行急劇冷卻；進而在回火爐里繼續加熱到相變點以下的某一溫度，保溫一段時間，最后出爐在空氣中冷卻。③將冷卻后的桿料在拉伸機上拉直，然后將拉直的桿料在車床上車削出如圖2所示的連接螺紋，最后進行噴漆、包裝。

圖1 抽油桿鍛造端頭

圖2 抽油桿連接螺紋

根據上述生產過程，傳統抽油桿生產工序：鍛造→淬火→回火→拉伸→車螺紋。其生產過程勞動強度比較大，在鍛造工序中一根桿料至少需2～3人才能夠完成加工操作；而加工螺紋工序中由于桿料較長，車削時桿料容易偏心發生彎曲現象，所以需要好幾個扶正工裝夾具，并且一臺加工車床和扶正工裝夾具在一起占用工房場地較大，上料下料費時費人費力，生產效率低。

（2）焊接抽油桿生產過程 焊接式實心抽油桿的生產過程：①將1m左右的桿接頭用棒料在專用加熱爐里加熱到可鍛造的組織，然后棒料的一端在鍛壓設備上鍛出圖1所示的形狀。②鍛造好的桿接頭棒料和用于焊接的8m左右的桿體棒料進行淬火和回火熱處理。③將焊接用桿體棒料在拉伸機上拉直。④鍛造好的桿接頭棒料在車床上車削出如圖2所示的連接螺紋。最后，將桿接頭和桿體采用摩擦焊焊接成如圖3所示的焊接式實心抽油桿。

圖3 焊接式實心抽油桿

焊接式實心抽油桿是先將經過熱處理并且精加工的桿接頭和經過熱處理的桿體焊接在一起，使其結構形狀和規格尺寸符合美國石油學會（API）抽油桿標準的要求。根據抽油桿不同鋼級的要求，焊接式抽油桿的桿頭采用合金鋼，桿體采用普通碳素鋼，或者桿頭采用高強度合金鋼，桿體采用低合金鋼。由于抽油桿受力最大處和疲勞強度的極限破壞都是在桿頭的鍛造部位和螺紋接頭部位，焊接抽油桿桿頭的鍛造部位和螺紋接頭部位采用了比桿體較好的合金鋼材質，而桿接頭部位的質量僅占整根抽油桿質量的5%左右，所以大大節省了優質合金鋼。同時，由于桿接頭采用的鋼材強度高于桿體的鋼材強度，因此桿接頭尺寸規格可以比桿體低一級，這樣既節省了大量優質合金鋼，又可以使油管內抽油桿接箍與油管內壁之間的環形面積增加13%～14%，減少了井液的流動阻力，有利于井液的舉升，并減少了抽油機的光桿荷載，從而減少了作業費用。另外，根據抽油桿的工作條件要求，其桿接頭和桿體材料與熱處理可以相同也可以不同，這種制造方法與傳統抽油桿的制造方法相比，不僅降低了生產制造成本，而且節約了能源和材料。

3.抽油桿焊接接頭的缺陷及檢測

（1）接頭缺陷 摩擦焊是固相連接，接頭中不會出現與熔化、凝固有關的缺陷，但有時如果實心抽油桿桿接頭和桿體材料的焊接性能較差、焊接參數選擇不當或表面清理不干凈時，在桿接頭和桿體的連接面上會出現一些“非理想結合”的缺陷，如接頭偏心、焊接裂紋、接頭組織扭曲、未焊合及氧化灰斑等，這些缺陷一般具有平面彌散分布的特征。

第一，接頭偏心。桿接頭和桿體在焊接過程中由于摩擦焊機剛度較低，夾頭偏心、桿接頭和桿體端面傾斜或桿體桿頭在夾頭中伸出量太長等原因造成。

第二，焊接裂紋。桿接頭和桿體在焊接接頭上的裂紋主要出現在焊合區邊緣飛邊缺口部位、焊合區內部及飛邊上，它的產生與材料的淬硬性及焊接參數有關。

第三，未焊合一般產生于抽油桿桿接頭和桿體的焊合面上，其表面宏觀特征呈氧化顏色。它的產生與摩擦加熱不足、頂鍛力過小及原始表面狀態等因素有關。

第四，氧化灰斑是一種焊接缺陷在斷口上的表現形式，它在桿體和桿接頭的焊接面斷口一般表現為暗灰色平板狀，無金屬光澤，為近似圓形、橢圓形或長條形，與周圍金屬有明顯的不同，具有明顯的沿斷面焊縫斷裂的特征。這是由于焊接前桿接頭和桿體焊接面清理不干凈，在焊接過程中焊機振動、壓力過小等原因造成。

（2）無損檢測 抽油桿焊接接頭中出現非理想結合的缺陷時，會使焊接接頭的抗斷能力下降幾倍甚至幾十倍。例如當氧化灰斑面積為20%～30%時，焊合區沖擊功可下降70%～80%，疲勞壽命下降25%～50%。因此，對于抽油桿焊接接頭進行無損檢測，是保證抽油桿的性能與安全非常重要的環節。由于摩擦焊焊接缺陷具有二維、彌散和近似表面分布的特征，故應采用高聚焦性能和高分辨率的無損檢測技術。目前我廠采用超聲波檢測技術，再輔以視覺檢查來完成焊接抽油桿的檢測。

4.結語

摩擦焊技術在石油裝備制造業中的應用越來越廣泛，很多適合摩擦焊生產的產品都相繼采用了這項焊接技術，取得了良好的經濟效益。摩擦焊技術在抽油桿焊接生產中的應用不僅降低了我廠的制造、投資和生產成本，而且節約了能源和材料。