双金属镍基825复合板焊接技术的研究

FENG Wei;XU Kai;WEI Tao;GUO Xiao

【摘 要】为了保证双金属镍基825复合板纵向焊缝的抗晶间腐蚀性能及强度,提高焊接效率,采用带极电渣堆焊方法,选定焊接材料,在不同的焊接工艺条件下,对复合板进行了焊接试验,并对焊接接头的力学性能和组织进行了分析.结果表明,焊接接头质量较好,焊缝成形优良,焊接接头的各项性能满足要求,其中采用TIG焊过渡形式提高了覆层金属抗晶间腐蚀性能,采用带极电渣堆焊方法未对基层材料性能造成不良影响.

【期刊名称】《焊管》 【年(卷),期】2019(042)006 【总页数】4页(P43-46)

【关键词】焊接;镍基复合板;带极电渣堆焊;晶间腐蚀 【作 者】FENG Wei;XU Kai;WEI Tao;GUO Xiao 【作者单位】 【正文语种】中 文 【中图分类】TG457.1

随着世界能源需求的日益增长，油气田的开采逐渐向深井、高腐蚀环境发展，为了降低油气运输和维护成本，延长使用寿命，可采用耐蚀合金、镍基合金等管道输送，但这会增加制造成本，造成资源浪费。因此，开发一种既能保证油气田开采及输送

安全，又能降低生产成本的新型管材就显得必要和迫切。国外的研究结果和应用表明，使用耐蚀合金复合管是解决上述问题相对安全和经济的途径之一。近几年，国内几大钢厂也相继开发了镍基复合钢板，但各大管厂在复合管制造工艺上遇到了一些问题，主要是复合管纵向焊缝的焊接。其技术难点在于如何提高焊接效率、降低镍基复合层焊接过程中的稀释率、提高焊缝的抗晶间腐蚀性能及焊缝的强度等。本研究针对复合板直焊缝焊接覆层时采用带极堆焊焊接技术解决了相关问题，为复合管产品的推广应用提供参考。 1 试验材料及焊接工艺 1.1 试验材料

试验采用镍基825+X60 钢级板材，板厚（13+3）mm。焊接前首先清除坡口两侧80 mm范围内的铁锈、油污和水分等，直至露出金属光泽； 然后采用丝极埋弧焊、带极堆焊进行焊接。其中外焊时，基层和覆层之间采用无过渡层、丝极埋弧焊过渡、自动TIG 焊过渡3 种焊接工艺形式。丝极材料采用管线钢专用焊接材料H08CG 和SJ101； 带极材料采用高速电渣堆焊焊剂，焊带牌号为H625F，焊剂牌号为SJ82F； 过渡层埋弧焊焊丝牌号为HS625，焊剂牌号SJ609； 过渡层TIG 焊焊丝牌号为HS625F。镍基825 材料的化学成分见表1。 表1 镍基825 材料的化学成

分 %images/BZ_50_319_730_467_804.pngimages/BZ_50_467_730_615_804.pngimages/BZ_50_615_730_763_804.pngimages/BZ_50_763_730_911_804.pngimages/BZ_50_911_730_1059_804.pngimages/BZ_50_1059_730_1237_804.pngimages/BZ_50_1237_730_1364_804.pngimages/BZ_50_1364_730_1524_804.pngimages/BZ_50_1524_730_1659_804.pngimages/BZ_50_1659_730_1800_804.pngimages/BZ_50_1800_730_1947_804.pngimages/BZ_50_1947_730_2074_804.pngimages/BZ_50_2074_730_2244_804.pngimages/BZ_50_

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复层材料采用镍基带极堆焊，焊带规格为0.5 mm×30 mm； 基层材料采用丝极埋弧焊，焊丝规格为Φ3.2 mm； 过渡层采用TIG 焊，焊丝规格Φ1.2 mm。坡口形式采用双V 形，如图1 所示。采用双面焊接工艺成型，焊接工序：预精焊—内焊基材—外焊基材—复层焊。焊接工艺参数见表2。 图1 复合板焊接坡口形式 表2 复合板焊接工艺参数

images/BZ_50_319_2054_514_2176.pngimages/BZ_50_514_2054_643_2176.pngimages/BZ_50_643_2054_790_2176.pngimages/BZ_50_790_2054_902_2176.pngimages/BZ_50_902_2054_1091_2176.pngimages/BZ_50_1091_2054_1237_2176.pngimages/BZ_50_319_2176_514_2249.pngimages/BZ_50_514_2176_643_2249.pngimages/BZ_50_643_2176_790_2249.pngimages/BZ_50_790_2176_902_2249.pngimages/BZ_50_902_2176_1091_2249.pngimages/BZ_50_1091_2176_1237_2249.pngimages/BZ_50_319_2249_514_2323.pngimages/BZ_50_514_2249_643_2323.pngimages/BZ_50_643_2249_790_2323.pngimages/BZ_50_790_2249_902_2323.pngimages/BZ_50_902_2249_1091_2323.pngimages/BZ_50_1091_2249_1237_2323.pngimages/BZ_50_319_2323_

514_2396.pngimages/BZ_50_514_2323_643_2396.pngimages/BZ_50_643_2323_790_2396.pngimages/BZ_50_790_2323_902_2396.pngimages/BZ_50_902_2323_1091_2396.pngimages/BZ_50_1091_2323_1237_2396.png 2 试验结果及分析 2.1 焊接接头宏观尺寸

对焊接接头取样，经研磨、化学试剂浸蚀后，置于光学显微镜下放大10 倍进行观察。焊接接头的宏观形貌如图2 所示。由图2 可见，焊缝熔合良好，未见裂纹、未焊透、未熔合缺陷。

图2 复合板焊接接头的宏观形貌

复合板焊接接头的宏观尺寸见表3。镍基覆层侧咬边深度约0.1 mm； 镍基覆层侧焊缝余高约1.7 mm，基层侧焊缝余高约1.6 mm，交互熔深 （即镍基焊缝与碳钢焊缝的熔合深度）约1.4 mm； 母材错边尺寸 （即两侧母材平行偏差）约0.6 mm； 焊偏尺寸 （即上、下焊缝不对中）约1.6 mm。 表3 复合板焊接接头的宏观尺寸

mmimages/BZ_50_1325_2106_1693_2179.pngimages/BZ_50_1325_2179_1509_2252.pngimages/BZ_50_1693_2106_2060_2179.pngimages/BZ_50_1509_2179_1693_2252.pngimages/BZ_50_1693_2179_1876_2252.pngimages/BZ_50_1876_2179_2060_2252.pngimages/BZ_50_2060_2106_2244_2252.pngimages/BZ_50_1325_2252_1509_2325.pngimages/BZ_50_1509_2252_1693_2325.pngimages/BZ_50_1693_2252_1876_2325.pngimages/BZ_50_1876_2252_2060_2325.pngimages/BZ_50_2060_2252_2244_2325.png 2.2 堆焊金属化学成分及力学性能

复合板堆焊金属的化学成分见表4，焊接接头的拉伸、弯曲性能见表5，冲击性能见表6。

表4～表6 的试验结果表明：采用平行取样和垂直取样，抗拉强度变化不大，与X60 钢强度相当，满足要求，但是断后伸长率有明显的变化。冲击试验针对基层焊缝，分别对2 个位置取样（见表6），0 ℃冲击功值较好，-20 ℃基层焊缝的冲击功值下降明显，主要因为带极的线能量较大，焊接过程中对外焊缝二次加热，导致焊缝金属的晶粒长大，从而影响低温冲击性能。试验结果满足UNS N08825 合金复合板直焊缝对冲击的要求，但焊接过程中必须严格控制外焊缝的线能量，以减少带极热输入对基层焊缝冲击性能的影响。 表4 复合板堆焊金属的化学成

分 %images/BZ_50_319_3035_467_3112.pngimages/BZ_50_763_3035_911_3112.pngimages/BZ_50_467_3035_615_3112.pngimages/BZ_50_615_3035_763_3112.pngimages/BZ_50_1355_3035_1503_3112.pngimages/BZ_50_911_3035_1059_3112.pngimages/BZ_50_1059_3035_1207_3112.pngimages/BZ_50_1207_3035_1355_3112.pngimages/BZ_50_1933_3035_2077_3112.pngimages/BZ_50_1503_3035_1652_3112.pngimages/BZ_50_1652_3035_1800_3112.pngimages/BZ_50_1800_3035_1933_3112.pngimages/BZ_50_2077_3035_2244_3112.pngimages/BZ_50_319_3112_467_3189.pngimages/BZ_50_467_3112_615_3189.pngimages/BZ_50_615_3112_763_3189.pngimages/BZ_50_763_3112_911_3189.pngimages/BZ_50_911_3112_1059_3189.pngimages/BZ_50_1059_3112_1207_3189.pngimages/BZ_50_1207_3112_1355_3189.pngimages/BZ_50_1355_3112_1503_3189.pngimages/BZ_50_1503_3112_1652_3189.pngimages/BZ_50_1652_3112_1800_3189.pngimages/BZ_50_1800_3112_1933_3189.pngimages/BZ_50_1933_3112_2077_3189.pngimages/BZ_50_2077_3112_2244_3189.png 表5 复合板焊接接头的拉伸、弯曲性能

images/BZ_51_307_448_472_624.pngimages/BZ_51_472_448_1012_509.pngimages/BZ_51_472_509_657_624.pngimages/BZ_51_658_509_833_624.pngimages/BZ_51_833_509_1012_624.pngimages/BZ_51_1012_448_1225_624.pngimages/BZ_51_307_624_472_685.pngimages/BZ_51_472_624_657_685.pngimages/BZ_51_658_624_833_685.pngimages/BZ_51_833_624_1012_685.pngimages/BZ_51_1012_624_1225_685.pngimages/BZ_51_307_685_472_746.pngimages/BZ_51_472_685_657_746.pngimages/BZ_51_658_685_833_746.pngimages/BZ_51_833_685_1012_746.pngimages/BZ_51_1012_685_1225_746.png

表6 复合板焊接接头的冲击性能

images/BZ_51_307_872_577_946.pngimages/BZ_51_577_872_876_946.pngimages/BZ_51_876_872_1225_946.pngimages/BZ_51_307_946_577_1093.pngimages/BZ_51_577_946_876_1020.pngimages/BZ_51_876_946_1225_1020.pngimages/BZ_51_577_1020_876_1093.png

images/BZ_51_876_1020_1225_1093.pngimages/BZ_51_307_1093_577_1240.pngimages/BZ_51_577_1093_876_1166.pngimages/BZ_51_876_1093_1225_1166.pngimages/BZ_51_577_1166_876_1240.png images/BZ_51_876_1166_1225_1240.png 图3 复合板拉伸断口形貌 2.3 堆焊金属显微组织分析

考虑到带极的热输入量较大，为此通过微观分析观察拉伸断口形貌，分别对平行和垂直方向的拉伸断口进行SEM 分析，从断裂形貌看，对基材性能未造成明显的差异，断裂方式为韧性断裂，都表现出良好的韧性。复合板拉伸断口形貌如图3 所示。

2.4 焊缝金属腐蚀试验对比

针对镍基复合材料，耐腐蚀性能一直是工程实际最关心的问题，为此，采用带极电渣堆焊复层时，考虑采用不同的过渡形式，降低稀释率，研究耐腐蚀性能的变化情况。对基层和复层之间采用无过渡层、丝极埋弧焊过渡、自动TIG焊过渡3 种焊接工艺形式进行两种腐蚀方法试验：①按照ASTM A262 E 法对UNS N08825 合金母材及纵向直焊缝进行晶间腐蚀试验，试验后，在10 倍放大镜下观察弯曲试样外表面，应无因晶间腐蚀产生的裂纹； ②按照ASTM G28 A 法对UNS N08825 合金母材及纵向直焊缝进行晶间腐蚀试验，试验后，UNS N08825 纵向直焊缝的腐蚀速率不得超过1.0 mm/a。复合板晶间腐蚀试验结果见表7。

从表7 晶间腐蚀试验结果可以看出，采用3种焊接过渡工艺形式，按照ASTM A262 E 法试验时，未发现晶间腐蚀倾向，结果合格； 按照ASTM G28 A 法试验时，采用自动TIG 焊方法过渡形式腐蚀速率最低，丝极埋弧过渡层次之，无过渡层腐蚀速率最高，但3 种工艺形式下腐蚀速率均满足指标要求。 表7 不同焊接过渡工艺下复合板的晶间腐蚀结果

images/BZ_51_1313_2133_1537_2210.pngimages/BZ_51_1537_2133_1897_2210.pngimages/BZ_51_1897_2133_2232_2210.pngimages/BZ_51_1313_2210_1537_2287.pngimages/BZ_51_1537_2210_1897_2287.pngimages/BZ_51_1897_2210_2232_2287.pngimages/BZ_51_1313_2287_1537_2364.pngimages/BZ_51_1537_2287_1897_2364.pngimages/BZ_51_1897_2287_2232_2364.pngimages/BZ_51_1313_2364_1537_2440.pngimages/BZ_51_1537_2364_1897_2440.pngimages/BZ_51_1897_2364_2232_2440.png 3 结 论

（1）采用镍基带极电渣堆焊材料焊接工艺性能优良，稀释率低，堆焊效率高。带极焊接过程中热输入未对基材性能造成影响，断口形貌表现为韧性断裂。

（2）焊接复层时，采用 “TIG 过渡+带极电渣堆焊” 形式，按照ASTM G28A 法进行晶间腐蚀试验，性能最优。

（3）采用带极堆焊方法及工艺，实现了镍基复合板纵向焊缝的焊接，各项技术指标均满足相关标准要求，为实际产品的焊接提供了技术指导。

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