李 東，尹立孟，朱洪亮，姚宗湘，張麗萍

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川成都610213）

825鎳基復合管熱絲TIG焊接接頭組織與性能分析

李 東1，尹立孟1，朱洪亮2，姚宗湘1，張麗萍1

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川成都610213）

采用熱絲TIG焊接方法對L360QS/N08825雙金屬復合管進行焊接，并研究分析了焊接接頭的顯微組織和性能。結果表明：焊縫中心的顯微組織較為均勻，大部分為胞狀晶，過渡層存在少量柱狀晶，蓋面層存在少量樹枝晶；常溫下焊接接頭的平均抗拉強度為521 MPa，為典型的韌性斷裂；-30℃下焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收功分別為120 J和231 J，斷口分析表明分別為混合式斷裂和韌性斷裂；熱影響區(qū)及焊縫硬度明顯高于母材，根焊層焊縫區(qū)硬度約為265 HV，明顯高于其他焊道。

雙金屬復合管；熱絲TIG；顯微組織；抗拉強度；沖擊韌性

0 前言

酸性油氣田在我國已探明的油氣藏中占有很大的比例，目前已有越來越多的高壓高酸性油氣田被開采利用[1]。為了應對高酸性介質對管道的腐蝕，力學性能與耐腐蝕性優(yōu)異的雙金屬復合管應運而生，并且已經(jīng)在各主要油氣田中有所應用[2]。雙金屬復合管分為基層和覆層兩部分，基層材質為碳鋼，覆層材質為不銹鋼或耐蝕合金。厚度為1.5～3 mm的耐蝕層與基層碳鋼緊密結合，在保證管道性能的同時將成本控制到最低[3]。

由于國內(nèi)對復合管的研究起步較晚，許多技術問題亟待解決，尤其是復合管的焊接問題尤為突出，不僅方法單一、生產(chǎn)效率低，焊接接頭質量也難以保證。目前，國內(nèi)焊接復合管的常用方法是鎢極氬弧焊打底以及焊接過渡層，焊條電弧焊填充蓋面，采用2～3種焊絲完成[4-6]。焊接過渡層是為了防止耐蝕層的合金元素和碳鋼層的Fe、C等元素發(fā)生擴散，造成合金元素稀釋，進而降低焊接接頭耐腐蝕性[2，7-9]。但是焊條電弧焊的線能量較大，在焊接過程中對元素的燒損情況十分嚴重，因此對過渡層的質量要求十分苛刻。同時，更換焊絲和設備會影響生產(chǎn)效率。熱絲TIG焊是一種優(yōu)質高效的焊接方法，可以用來焊接復合管的基層金屬且不受工作效率的限制，減少了更換設備的時間。且熱絲TIG焊較之冷絲TIG焊不會增加線能量，降低合金元素稀釋率，保證焊接接頭的耐腐蝕性。但目前針對熱絲TIG焊接復合管，并對焊接接頭晶間腐蝕速率、成形美觀和力學性能等方面的研究還非常少見[11-12]。

為此，本實驗采用背部充氬保護的半自動熱絲TIG焊設備對N08825/L360QS復合管進行對接試驗，并采用光學顯微鏡和掃描電鏡分析焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織；同時分析其抗拉強度和沖擊韌性等力學性能，為熱絲TIG焊接復合管的深入研究和進一步推廣應用提供參考依據(jù)。

1 實驗材料和方法

實驗材料為國內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的N08825/ L360QS復合管，N08825為內(nèi)襯層金屬，耐腐蝕性能優(yōu)異，L360QS為基層金屬，是油氣輸送管道中常用的鋼材?；鶎雍透矊拥娘@微組織如圖1所示，圖1a為N08825母材的顯微組織，主要是奧氏體，圖1b為L360QS母材的顯微組織，主要為鐵素體和回火索氏體。管道規(guī)格尺寸為219.1 mm×（10＋3）mm，焊絲為ERNiCrMo-3，母材及焊絲化學成分如表1所示。

表1 管材基體及焊絲主要化學成分%

圖1 復合管母材顯微組織

在施焊前，首先需要用砂輪清理試樣表面，并用丙酮去除油污。然后向管內(nèi)充入氬氣0.5 h置換掉內(nèi)部的空氣，焊接過程中持續(xù)通氣，焊接參數(shù)如表2所示。

顯微組織分析試樣，首先用400#～1200#的砂紙將其打磨至光亮，然后使用0.1 μm的噴霧拋光劑拋光至無劃痕。碳鋼采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕5～6 s，鎳基合金采用王水腐蝕3～5 s。然后使用金相顯微鏡以及掃描電子顯微鏡進行金相觀察。依照API Specification 5LD-2009、GB/T 228以及GB/T 229等標準對焊接接頭進行拉伸及沖擊等力學性能測試。

表2 熱絲TIG焊接復合管焊接參數(shù)

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2 焊接接頭各焊道顯微組織

由圖2可知，根焊層的顯微組織為均勻的胞狀晶，過渡層同樣以胞狀晶為主，隱約可見柱狀晶。隨著焊接過程的繼續(xù)，填充焊道的顯微組織已經(jīng)觀察不到柱狀晶，全部為單向胞狀晶組織，這是由于多道焊工藝中后道焊縫對前道焊縫的熱處理使得填充焊縫的組織得以優(yōu)化。在蓋面焊道中，同時出現(xiàn)少量的樹枝晶和胞狀晶，這是因為蓋面焊道的冷卻速度相對較大，加速了樹枝晶的形成。

2.2 抗拉強度

測量焊接接頭的抗拉強度，試樣采用機械加工方法除去焊縫余高。實驗結果如表3所示，兩次實驗均斷于母材，平均抗拉強度521 MPa。拉伸斷口為典型的45°切斷斷口，呈平坦的灰白色斷面，無發(fā)光小刻面存在。由圖3可知，母材斷口上分布大量的韌窩，韌窩密度較大、直徑較小、深度較淺，韌窩底部可見明顯的第二相粒子，為典型的韌性斷裂?？梢姾缚p強韌性更優(yōu)。由于所用ERNiCrMo-3鎳基焊絲的抗拉強度σb遠高于母材L360QS和N08825，為高強匹配，因此可以獲得強度較高的焊接接頭。

2.3 沖擊韌性

在-30℃條件下測量焊接接頭的沖擊韌性，采用夏比V形缺口試樣，試樣尺寸為7.5 mm×10 mm× 55 mm，缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)。實驗結果如表4所示。在-30℃條件下，焊縫的沖擊斷口的纖維區(qū)面積較小，可以明顯觀察到缺口兩側剪切唇，放射區(qū)上可見零星亮白色刻面。其微觀形貌如圖4a所示，斷口上有較多深度較淺的被拉長的韌窩，并伴有少量的解離刻面，韌窩比例較大，為混合斷裂形式，韌性較差。HAZ的沖擊斷口纖維區(qū)面積較大，缺口兩側的剪切唇不明顯，放射區(qū)較為平坦。其微觀形貌如圖4b所示，大量韌窩分布其間，直徑和深度較大，韌窩底部可見明顯第二相粒子，為典型的韌性斷裂。由此可見，HAZ的韌性比焊縫更好，這是因為焊縫中存在大量的柱狀晶，嚴重影響焊縫韌性。

表3 拉伸試驗參數(shù)及結果

圖3 拉伸式樣斷口掃描圖

表4 沖擊實驗參數(shù)及結果

圖4 沖擊式樣斷口掃描圖

2.4 顯微硬度

采用HV-1000顯微硬度計測得顯微硬度，取點位置如圖5所示，每隔0.5 mm采集一個數(shù)據(jù)。

圖5 硬度測試點位置

焊接接頭顯微硬度分布如圖6所示，由圖6可知，焊縫位置的硬度明顯高于其他區(qū)域，硬度值沿著熔合線向母材的方向逐漸降低并最終趨近于母材硬度。除根焊外，其余焊道的顯微硬度差別較小，均為210～220 HV。其中過渡層焊縫硬度略高于填充和蓋面，但總體上變化不大。根焊層的母材及焊縫硬度均高于過渡層及基層區(qū)域。母材硬度較高是由于內(nèi)襯層母材本身硬度較高，而焊縫硬度明顯高于其他焊道則是由于根焊層經(jīng)歷了多次后層焊道對其的熱處理，顯微組織比較均勻，晶粒細小，因此硬度較大。

圖6 顯微硬度試驗結果

3 結論

（1）熱絲TIG焊接的復合管焊接接頭焊縫中心的顯微組織均勻，各層焊道均以胞狀晶為主，僅過渡層存在少量柱狀晶，蓋面層存在少量樹枝晶。

（2）室溫下，兩次拉伸試驗的平均抗拉強度為521 MPa，斷裂位置均位于母材，距離焊縫較遠。斷口存在大量韌窩，為典型的韌性斷裂。

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Microstructure and properties of hot-wire TIG welded joints of 825 nickel-base clad pipe

LI Dong1，YIN Limeng1，ZHU Hongliang2，YAO Zongxiang1，ZHANG Liping1
（1.School of Metallurgy and Materials Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2.Sichuan Oil and Gas Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China）

L360QS/N08825 bi-metal clad pipe was welded by hot wire TIG，and the microstructure and mechanical properties of the welded joint were then analyzed.The results show that uniform cellular crystal dominated the microstructure，only a small amount of column crystal and dendritic crystal can be observed in the transition layer and cover welding respectively；the average tensile strength is 521 MPa at room temperature，and the fracture morphology shows a typical ductile fracture;the impact absorbing energy of welding bead and heat affected zone was 120 J and 231 J respectively，the fracture morphology implying the fracture modes was mixed fracture and ductile fracture;the microhardness of heat-affected zone is higher that of the welding bead;the maximum value is about 265HV，which occurs in the root bead layer and is apparently higher than others.

bi-metal clad pipe；hot wire TIG；microstructure；tensile strength；impact toughness

TG457

A

1001-2303（2017）05-0073-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.15

2017-03-28；

2017-04-08

國家自然科學基金項目（51674056）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項目（CYS16227）；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新項目（YKJCX1620201）；重慶市前沿與應用基礎研究項目（cstc2015jcyjA50017）

李 東（1992—），男，碩士，主要從事油氣輸送管道焊接的研究。E-mail：weldon_lee@126.com。

本文參考文獻引用格式：李東，尹立孟，朱洪亮，等.825鎳基復合管熱絲TIG焊接接頭組織與性能分析[J].電焊機，2017，47（05）：73-76，103.