摘要：文章介紹了2000型壓裂泵車三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪的工作狀況以及加強筋板根部出現(xiàn)裂紋的形態(tài)，分析了產(chǎn)生裂紋的主要因素，通過對齒輪材料化學成分分析，研究其焊接性能，確立合適的預熱溫度，后熱處理方法，選擇合適的焊接材料，制定焊接工藝措施，完成對三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部裂紋的修復。

關鍵詞：三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪；筋板根部裂紋；焊接修復方法；焊后質(zhì)量檢驗

中圖分類號：TE934 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0085-03

在對外部市場返回的2000型壓裂泵車進行維護保養(yǎng)過程中，維護人員發(fā)現(xiàn)三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部出現(xiàn)裂紋。由于這種全套壓裂裝備都是從美國進口的，更換齒輪的造價非常昂貴，所以選擇對裂紋進行焊接修復。

一、裂紋分析

經(jīng)分析齒輪的材質(zhì)為35CrMo鋼，根據(jù)這種材質(zhì)的焊接性能和裂紋出現(xiàn)的特殊部位來制定最優(yōu)的焊接工藝路線就是研究的目的。在焊接過程中，裂紋是最嚴重的一種工藝缺陷。為提高焊接的工藝質(zhì)量和焊件的使用壽命，克服焊接裂紋成為焊接技術中急需解決的首要問題。

產(chǎn)生原因：由于三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部焊縫焊接殘余應力集中，而且齒輪在整個工作過程中承受的載荷過大，受力情況復雜，因此很容易會在此處產(chǎn)生脆性裂紋。

高強鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大因素是鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布和拘束應力的大小。而三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的主要因素是焊縫的拘束應力、工藝順序及坡口形式等

二、焊接修復方法的選擇

經(jīng)過對三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪的材質(zhì)、裂紋產(chǎn)生的部位等方面的綜合分析，我們決定選用手工電弧焊對裂紋進行修復。

（一）35CrMo鋼焊接性分析

鋼材的可焊性主要取決于它的化學成分，鋼中的合金元素含量越高，成分越復雜，對可焊性的影響也越復雜，鋼中加入的合金元素還能促使形成低熔點的物質(zhì)，這些元素在焊接熱循環(huán)的作用下，促使焊縫金屬特別是熱影響區(qū)出現(xiàn)各種不利組織，使性能變差并導致裂紋的產(chǎn)生。35CrMo鋼的化學成分見表1：

國際焊接學會（ⅡW）推薦用于反映中、低合金鋼淬硬和冷裂傾向的碳當量計算公式為：

Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15（%）

根據(jù)公式可以計算出35CrMo鋼的碳當量為0.70%。根據(jù)大量試驗得知：當碳當量≤0.40%時，焊接時無淬硬傾向，可焊性良好；當碳當量在0.40%～0.50%范圍內(nèi)，淬硬傾向不太明顯，可焊性尚可；當碳當量在0.50%～0.60%范圍內(nèi)，淬硬傾向逐漸顯著，冷裂紋傾向隨之增加，可焊性稍差；當碳當量≥0.60%時，屬于高淬透性的鋼，冷裂紋傾向更進一步增加，可焊性較差。由此可見，35CrMo鋼的可焊性比較差，易產(chǎn)生冷裂紋。

（二）預熱溫度的選擇

預熱不但能降低冷卻速度，延緩800℃～500℃的冷卻時間而避免馬氏體轉變，還能促使氫的逸出。正確地選擇預熱和加熱溫度，有助于改善焊接接頭的組織性能和應力狀態(tài)，降低焊縫和近焊縫區(qū)的含氫量，因此預熱是防止冷裂紋最有效的工藝措施。

根據(jù)大量的實驗證明：當Ceq<0.45％時，通常不需要預熱；當Ceq=0.45％～0.60％時，需要預熱，預熱溫度為100℃～200℃；當Ceq>0．60％時，需要預熱200℃～370℃。

而35CrMo鋼的Ceq=0.70％，因此需要預熱。為了防止焊接熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生，將施焊部位均勻緩慢加熱到250℃～300℃，保溫1h。由于三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部焊后進行熱處理受到限制，在不進行熱處理的條件下，為減少內(nèi)應力和改善焊層的性能，預熱溫度可以適當高一些。

（三）后熱溫度的選擇

如果焊后很快冷卻至100℃以下氫來不及逸出便會造成嚴重的延遲裂紋。采用緊急后熱使冷裂紋尚處于潛伏其中，擴散氫就能充分的由焊縫中逸出，并能減少殘余應力和改善組織，對防止延遲裂紋的產(chǎn)生有顯著效果。選用合適的后熱溫度，可適當降低預熱溫度和代替三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部焊接中間所需的熱處理。

焊接后熱可以降低焊縫和焊接接頭冷卻速度，促進氫的逸出，改善焊接接頭性能，降低其硬度。根據(jù)碳當量公式計算如下：

Ceq=C+Mn/6+/5+(Ni+Cu)/15

當Ceq<0.35%時，通常不需要后熱；當CE>0.35%時，需要后熱。而35CrMo鋼的Ceq=0.70%，所以需要后熱。堆焊完后應立即進行后熱處理，后熱溫度不應太高，否則會影響三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪的性能，另外還應避開500℃～700℃，以免產(chǎn)生再熱裂紋。因此，選擇后熱溫度300℃～350℃，保溫1h。

（四）焊接材料的選擇

35CrMo鋼在焊接時，焊縫金屬和母材強度相當時，韌性低于母材。由于含碳量高，熱影響區(qū)及焊縫容易形成高碳馬氏體，冷裂紋傾向嚴重，而且冷裂紋對焊接應力及擴散氫含量的敏感性大。由于母材溶入焊縫金屬中的碳和合金元素增加，還可能會產(chǎn)生熱裂紋。如果焊接材料選擇不當，焊接接頭還可能產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋就是焊后使用過程中的“潛在殺手”——延遲裂紋。所以，在整個焊接工藝中，根據(jù)母材成分和性能，正確合理地選擇焊接材料對于保證焊接質(zhì)量是至關重要的。

35CrMo鋼是中碳調(diào)質(zhì)鋼，其焊接材料的選擇應遵循以下基本原則：

（1）應該選用低碳合金系統(tǒng)的焊接材料并嚴格控制其S、P等雜質(zhì)的含量，以減少各類裂紋的產(chǎn)

生率。

（2）應選用低氫或或超低氫焊接材料，這對淬硬性極高的鋼材避免氫致裂紋是絕對必要的。

（3）為防止過熱區(qū)的脆化和冷裂紋的產(chǎn)生，焊后也不再進行調(diào)質(zhì)熱處理，所以應該盡量選擇焊接材料的合金系統(tǒng)與母材的合金系統(tǒng)一致。

鑒于以上所述，我們選擇直徑為φ3.2的J606低氫鉀型藥皮的低合金高強度鋼焊條。J606焊條用于焊接中碳鋼及相應強度的低合金高強度鋼結構?？梢越恢绷鲀捎?，可以進行全位置焊接。交流施焊時，在性能穩(wěn)定方面，稍次于直流焊接。

（五）焊接設備的選擇

為了避免冷裂紋的產(chǎn)生和減少熱影響區(qū)的軟化，焊接方法應該選用熱量愈集中，能量密度愈大的方法愈有利，而且焊接線能量愈小愈好。結合現(xiàn)有設備和焊工情況，以及待焊區(qū)的位置，決定采用手工電弧焊。焊接設備選用直流弧焊機ZX5-400D，且采用熔化速度快，母材溫升小，焊接電流、電弧電壓穩(wěn)定的直流反接法焊接，保證焊接過程穩(wěn)定。

（六）工藝措施

首先把三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部原來的焊層用銑床銑掉，并加工出雙單邊V型坡口。

圖2坡口形式

1．清除坡口附近的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)。

2．焊條，預熱至350℃烘焙1小時，在100℃溫度下保溫，隨烘隨用。直流反接。

3．制作專用磨具，用木炭均勻加熱，將施焊部位均勻緩慢加熱到250℃～300℃，適度掌握焊接

速度。

4．多道焊，對稱焊。

5．采用石灰保溫300℃～350℃，將焊口全部覆蓋達到保溫緩冷作用。

三、焊后質(zhì)量檢驗

（一）外部缺陷的觀察

焊接接頭的外部缺陷一般用肉眼就能觀察到，主要有焊瘤、咬邊、凹坑、燒傷、余高不足或過大、錯邊及弧坑處理不良等。經(jīng)觀察沒有這些缺陷。

（二）內(nèi)部缺陷檢驗

焊接接頭的內(nèi)部缺陷必須借助儀器設備測試才能判斷出的缺陷，主要有未熔合、未焊透、氣孔、夾渣及白點等。內(nèi)部缺陷因肉眼觀察不到，危害更大，必須堅決杜絕。經(jīng)X射線探傷，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

四、結論

通過分析三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪的工作狀況、裂紋產(chǎn)生的位置和形態(tài)，并結合其材質(zhì)等各方面因素，采用了補焊的方法對三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪加強筋板根部的裂紋進行了修復，成功焊補了三缸壓裂泵驅(qū)動齒輪三套。三臺壓裂車組現(xiàn)已重新開始工作，一年來在鄂爾多斯外部市場工作狀況良好，提高了設備的使

用率。

作者簡介：吳小超（1976-），女，中國石化集團勝利石油管理局井下作業(yè)公司工程師，研究方向：機械、鉆桿焊接、設備維修等。

（責任編輯：趙秀娟）