田　磊，劉海璋，楊　軍，王　盼，楊曉龍，徐　凱

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008）

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N08825/L450QS鎳基復(fù)合板焊接工藝及組織性能研究*

田磊1，2，劉海璋1，2，楊軍1，2，王盼1，2，楊曉龍1，2，徐凱1，2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008）

摘要：通過合理的坡口設(shè)計(jì)，采用MAG+SAW+TIG焊接工藝對(duì)N08825/L450QS復(fù)合板進(jìn)行了板-板對(duì)接焊試驗(yàn)，并利用拉伸、導(dǎo)向彎曲、夏比沖擊、金相和腐蝕試驗(yàn)研究了該焊接接頭力學(xué)性能、塑韌性能、組織特征及抗腐蝕性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫抗拉強(qiáng)度為615 MPa，-30℃下沖擊功值高達(dá)117 J且導(dǎo)向彎曲無裂紋；覆層熔敷區(qū)組織為奧氏體，中心呈等軸狀樹枝晶，邊緣為柱狀樹枝晶；焊縫晶間腐蝕平均速率為1.101 g/m2，點(diǎn)蝕平均速率為0.684 mm/a，基層焊縫HIC試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋；各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：N08825/L450QS鎳基復(fù)合板；焊接工藝；MAG+SAW+TIG焊接；金相組織；力學(xué)性能；晶間腐蝕；點(diǎn)蝕

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA031303）

田磊（1987-），男，碩士，工程師，主要從事雙金屬復(fù)合管的焊接工藝研究等工作。

我國多地油氣田均為高含硫化氫油氣田。含硫化氫天然氣在開采及輸送過程中易造成鉆具斷落、油氣管嚴(yán)重腐蝕，引發(fā)天然氣泄漏或燃爆等一系列問題［1］。對(duì)于含H2S、CO2等的強(qiáng)腐蝕性油氣的開采與輸送，傳統(tǒng)管線鋼防腐技術(shù)（如添加緩蝕劑、采用防腐涂層等）已經(jīng)很難滿足要求，而單一耐蝕合金管材由于成本高昂以及管體強(qiáng)度得不到保障等問題難以獲得廣泛應(yīng)用［2-3］。雙金屬復(fù)合管因兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的力學(xué)性能以及相對(duì)低廉的制造成本而具有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來，在雙金屬復(fù)合管開發(fā)工藝方面，國內(nèi)外文獻(xiàn)相繼報(bào)道了水壓法、熱擠壓法、爆炸機(jī)械復(fù)合法等機(jī)械復(fù)合法以及離心鑄造法、粉末冶金法、噴射成型法和電磁成型法等冶金復(fù)合法［4-6］。冶金復(fù)合的雙金屬復(fù)合管的界面結(jié)合緊密、強(qiáng)度高；而機(jī)械復(fù)合的雙金屬復(fù)合管內(nèi)外層之間只達(dá)到機(jī)械連接，在高溫條件下易發(fā)生分層，甚至剝離現(xiàn)象，但機(jī)械復(fù)合相比較于冶金復(fù)合的成型方式成本低、工藝簡(jiǎn)單、效率高［7-9］。

鎳基合金N08825是一種Ni-Cr-Fe奧氏體組織金屬材料，強(qiáng)度高、抗高溫氧化性能好、具有強(qiáng)耐腐蝕性能。本文研究N08825/ L450QS冶金復(fù)合板焊接工藝，以期為后續(xù)復(fù)合管生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料選擇

N08825/L450QS樣板的厚度為20.5（3.0+17.5）mm。覆層鎳基合金N08825的化學(xué)成分見表1，基層L450QS的化學(xué)成分見表2。

表1　覆層N08825的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

表2　基層L450QS的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

1.2坡口設(shè)計(jì)

覆層側(cè)坡口深度大于3 mm，再向碳鋼基層挖深1.0～1.5 mm，寬度約18 mm，此區(qū)域進(jìn)行過渡層焊接，可有效避免基層碳鋼對(duì)耐蝕合金的稀釋。由于液態(tài)鎳基N08825合金流動(dòng)性較差，黏性較好，故坡口邊緣有一定傾斜設(shè)計(jì)［10-13］。

1.3焊接材料與參數(shù)

焊接順序如圖1所示。具體是：①先采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）進(jìn)行L450QS鋼的定位預(yù)焊；②用埋弧自動(dòng)焊（SAW）依次進(jìn)行L450QS鋼的雙面焊接；③再對(duì)過渡層金屬和覆層金屬進(jìn)行非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊（TIG）［14-15］。

圖1　焊接順序示意

焊接材料選擇見表3［16-17］。覆層及過渡層焊接材料選擇原則是：焊材中C含量不應(yīng)超過母材C含量，同時(shí)要有比母材更高的鉻鎳比。本次試驗(yàn)選用的過渡層焊絲ERNiCrMo-3與覆層相比有較高Ni含量，能很好解決碳鋼對(duì)鎳基合金的稀釋影響。TIG焊保護(hù)氣體為高純Ar。埋弧焊內(nèi)焊采用兩絲焊接，外焊采用三絲焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表4。埋弧焊完成之后對(duì)內(nèi)焊縫進(jìn)行打磨清理，再進(jìn)行TIG焊。TIG焊分3層，分別為打底、填充、蓋面，工藝參數(shù)見表5。

表3　焊接材料選擇

表4　碳鋼側(cè)焊接工藝參數(shù)

表5　TIG焊工藝參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照《UNS N08825合金內(nèi)覆復(fù)合管技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)。晶間腐蝕試驗(yàn)按照美國ASTM G 28—2002《探測(cè)高鎳鉻合金鍛件晶間腐蝕敏感度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》的A法進(jìn)行，試樣尺寸為20 mm×20 mm×2 mm；點(diǎn)蝕試驗(yàn)按照ASTM G 48—2003《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》的A法進(jìn)行，試樣尺寸為25 mm×50 mm×2 mm；抗氫致開裂試驗(yàn)HIC按照NACE TM 0284—2011《管道、壓力容器抗氫致開裂鋼性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣尺寸為100 mm×20 mm×15 mm。

2.1焊接接頭力學(xué)性能

對(duì)焊縫進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，焊接接頭的拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。其中彎曲試驗(yàn)進(jìn)行正彎、反彎，彎心直徑都為105 mm，彎曲角度都為180°。

表6　焊接接頭的拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊縫拉伸強(qiáng)度大于535 MPa；正反彎180°焊縫區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明焊接接頭基層與覆層塑韌性完全滿足要求，彎曲性能優(yōu)良；焊縫和熱影響區(qū)-30℃沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足《UNS N08825合金內(nèi)覆復(fù)合管技術(shù)規(guī)范》要求。

2.2焊縫微觀組織

復(fù)層焊縫宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：基層埋弧焊焊縫形貌良好，內(nèi)外焊重合量2.5 mm。覆層TIG焊無未熔合區(qū)，無咬邊，有明顯熔合線。

圖2　復(fù)層焊縫宏觀形貌

覆層焊縫微觀組織如圖3所示。由于TIG焊凝固過程中焊縫中心區(qū)域溫度分布均勻，其組織呈等軸樹枝狀，如圖3（a）所示；焊縫靠近熔合線區(qū)域熔敷金屬凝固過程中由于向母材散熱產(chǎn)生溫度梯度，組織呈柱狀晶，晶粒生長(zhǎng)法相垂直于熔合線，如圖3（b）所示。覆層母材和熔敷金屬組織都為奧氏體，有明顯熔合區(qū)，但由于TIG焊電弧熔化臨近焊縫區(qū)域的母材與熔敷金屬的成分差異，導(dǎo)致其組織形貌與熔敷金屬類似但呈現(xiàn)出不同的耐腐蝕性能，因此形成明顯的過渡區(qū)域，寬度約75 mm，如圖3（c）所示；與遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材相比，熱影響區(qū)靠近焊縫區(qū)域出現(xiàn)晶界局部熔化，使得晶粒粗大，而靠近母材區(qū)則由于發(fā)生重結(jié)晶使得晶粒細(xì)化，如圖3（d）～（f）所示。

2.3焊接接頭抗腐蝕性能

對(duì)覆層母材與焊縫分別進(jìn)行晶間腐蝕和點(diǎn)蝕試驗(yàn)，覆層腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表7。晶間腐蝕復(fù)層母材腐蝕速率0.218 mm/a，焊縫平均腐蝕速率0.684 mm/a，小于技術(shù)規(guī)定要求的母材晶間最大腐蝕速率0.5 mm/a，焊縫晶間最大腐蝕速率1.0 mm/a的要求；點(diǎn)蝕試驗(yàn)后試樣在20倍光鏡下無明顯點(diǎn)蝕坑，復(fù)層母材平均點(diǎn)蝕速率1.170 g/m2，焊縫平均點(diǎn)蝕速率1.101 g/m2，小于技術(shù)規(guī)定要求的最大點(diǎn)蝕速率4.0 g/m2；試驗(yàn)結(jié)果符合美國標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)基層焊縫進(jìn)行HIC試驗(yàn)，試樣表面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明焊縫對(duì)氫致裂紋不敏感。

復(fù)層母材與焊縫晶間腐蝕后試樣表面微觀形貌如圖4所示。復(fù)層母材試樣表面呈溝槽結(jié)構(gòu)，一個(gè)或多個(gè)晶粒完全被溝槽環(huán)繞，復(fù)層焊縫試樣呈典型的樹枝晶間溝槽結(jié)構(gòu)，其腐蝕速率是母材的3倍左右。復(fù)層母材與焊縫點(diǎn)蝕后試樣表面微觀形貌如圖5所示。在高倍光鏡下，點(diǎn)蝕試樣表面有小的點(diǎn)蝕坑，焊縫試樣單個(gè)點(diǎn)蝕坑大于母材，但點(diǎn)蝕坑數(shù)量較少，母材試樣點(diǎn)蝕速率略大于焊縫試樣。

圖3　復(fù)層焊縫微觀組織

表7　覆層腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖4　晶間腐蝕后試樣表面微觀形貌

3　結(jié)　論

（1）通過合理的坡口設(shè)計(jì)，采用基層MAG預(yù)焊+雙面SAW焊+復(fù)層TIG焊對(duì)N08825/L450QS復(fù)合板進(jìn)行焊接，提高了焊接效率，且焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對(duì)復(fù)合管焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕、點(diǎn)蝕以及HIC腐蝕試驗(yàn)，晶間腐蝕和點(diǎn)蝕腐蝕速率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，HIC試驗(yàn)未見裂紋。

圖5　點(diǎn)蝕后試樣表面微觀形貌

4　參考文獻(xiàn)

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●信息

Research on Welding Process，Microstructure and Properties of N08825/L450QS Nickel Base Clad Plate

TIAN Lei1，2，LIU Haizhang1，2，YANG Jun1，2，WANG Pan1，2，YANG Xiaolong1，2，XU Kai1，2
（1. National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，China；2. Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Abstract：Based on the proper bevel design，the experimental plate-plate butt welding of the N08825/L450QS clad plate is conducted with the MAG+SAW+TIG welding process，and then the mechanical properties，plastic toughness，microstructure characteristics and corrosion resistance of the clad plate butt weld are investigated by means of tensile test，guided-bend test，V-notch Charpy impact test，metallographic test and corrosion test. The test results show that the tensile strength of the weld is 615 MPa，the impact toughness is up to 117 J at -30℃，and no crack is found after the guided-bend test；the microstructure of the clad layer deposited area is of austenite，the center area is of the equiaxed dendrites，and the edge is of columnar dendrites；the average rate of the weld intergranular corrosion is 1.101 g/m2，and the average rate of pitting corrosion is 0.684 mm/a；no crack is found via HIC test to the base layer weld. All the properties of the clad plate as welded are in compliance with applicable specification.

Key words：N08825/L450QS nickel base clad plate；welding process；MAG+SAW+TIG welding process；me-% tallographic structure；mechanical properties；intergranular corrosion；pitting corrosion

收稿日期：（2015-10-16）

中圖分類號(hào)：TG44；TE931+.2搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號(hào)：1001-2311（2016）01-0013-05