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研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西寶雞721008）

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N08825/L450QS鎳基復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研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西寶雞721008）

摘要：通過合理的坡口設計，采用MAG+SAW+TIG焊接工藝對N08825/L450QS復合板進行了板-板對接焊試驗，并利用拉伸、導向彎曲、夏比沖擊、金相和腐蝕試驗研究了該焊接接頭力學性能、塑韌性能、組織特征及抗腐蝕性能。試驗結果表明：焊縫抗拉強度為615 MPa，-30℃下沖擊功值高達117 J且導向彎曲無裂紋；覆層熔敷區組織為奧氏體，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，點蝕平均速率為0.684 mm/a，基層焊縫HIC試驗未發現裂紋；各項性能均滿足標準要求。

關鍵詞：N08825/L450QS鎳基復合板；焊接工藝；MAG+SAW+TIG焊接；金相組織；力學性能；晶間腐蝕；點蝕

*國家高技術研究發展計劃項目（2013AA031303）

田磊（1987-），男，碩士，工程師，主要從事雙金屬復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、油氣管嚴重腐蝕，引發天然氣泄漏或燃爆等一系列問題［1］。對于含H2S、CO2等的強腐蝕性油氣的開采與輸送，傳統管線鋼防腐技術（如添加緩蝕劑、采用防腐涂層等）已經很難滿足要求，而單一耐蝕合金管材由于成本高昂以及管體強度得不到保障等問題難以獲得廣泛應用［2-3］。雙金屬復合管因兼具優異的耐腐蝕性能、良好的力學性能以及相對低廉的制造成本而具有廣泛的應用前景。

近年來，在雙金屬復合管開發工藝方面，國內外文獻相繼報道了水壓法、熱擠壓法、爆炸機械復合法等機械復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合法［4-6］。冶金復合的雙金屬復合管的界面結合緊密、強度高；而機械復合的雙金屬復合管內外層之間只達到機械連接，在高溫條件下易發生分層，甚至剝離現象，但機械復合相比較于冶金復合的成型方式成本低、工藝簡單、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，強度高、抗高溫氧化性能好、具有強耐腐蝕性能。本文研究N08825/ L450QS冶金復合板焊接工藝，以期為后續復合管生產提供技術支持。

1　試驗材料與方法

1.1試驗材料選擇

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

表1　覆層N08825的化學成分（質量分數）　%

表2　基層L450QS的化學成分（質量分數）　%

1.2坡口設計

覆層側坡口深度大于3 mm，再向碳鋼基層挖深1.0～1.5 mm，寬度約18 mm，此區域進行過渡層焊接，可有效避免基層碳鋼對耐蝕合金的稀釋。由于液態鎳基N08825合金流動性較差，黏性較好，故坡口邊緣有一定傾斜設計［10-13］。

1.3焊接材料與參數

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焊（MAG）進行L450QS鋼的定位預焊；②用埋弧自動焊（SAW）依次進行L450QS鋼的雙面焊接；③再對過渡層金屬和覆層金屬進行非熔化極惰性氣體鎢極保護焊（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含量不應超過母材C含量，同時要有比母材更高的鉻鎳比。本次試驗選用的過渡層焊絲ERNiCrMo-3與覆層相比有較高Ni含量，能很好解決碳鋼對鎳基合金的稀釋影響。TIG焊保護氣體為高純Ar。埋弧焊內焊采用兩絲焊接，外焊采用三絲焊接，具體焊接工藝參數見表4。埋弧焊完成之后對內焊縫進行打磨清理，再進行TIG焊。TIG焊分3層，分別為打底、填充、蓋面，工藝參數見表5。

表3　焊接材料選擇

表4　碳鋼側焊接工藝參數

表5　TIG焊工藝參數

2　試驗結果及分析

按照《UNS N08825合金內覆復合管技術規范》進行性能檢測與評價。晶間腐蝕試驗按照美國ASTM G 28—2002《探測高鎳鉻合金鍛件晶間腐蝕敏感度的標準實施規程》的A法進行，試樣尺寸為20 mm×20 mm×2 mm；點蝕試驗按照ASTM G 48—2003《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗的標準方法》的A法進行，試樣尺寸為25 mm×50 mm×2 mm；抗氫致開裂試驗HIC按照NACE TM 0284—2011《管道、壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價的試驗方法》進行，試樣尺寸為100 mm×20 mm×15 mm。

2.1焊接接頭力學性能

對焊縫進行力學性能試驗，焊接接頭的拉伸試驗及沖擊試驗結果見表6。其中彎曲試驗進行正彎、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及沖擊試驗結果

焊縫拉伸強度大于535 MPa；正反彎180°焊縫區域均未發現裂紋，說明焊接接頭基層與覆層塑韌性完全滿足要求，彎曲性能優良；焊縫和熱影響區-30℃沖擊功均滿足標準要求。試驗結果表明：焊接接頭各項力學性能均滿足《UNS N08825合金內覆復合管技術規范》要求。

2.2焊縫微觀組織

復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，內外焊重合量2.5 mm。覆層TIG焊無未熔合區，無咬邊，有明顯熔合線。

圖2　復層焊縫宏觀形貌

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；焊縫靠近熔合線區域熔敷金屬凝固過程中由于向母材散熱產生溫度梯度，組織呈柱狀晶，晶粒生長法相垂直于熔合線，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，但由于TIG焊電弧熔化臨近焊縫區域的母材與熔敷金屬的成分差異，導致其組織形貌與熔敷金屬類似但呈現出不同的耐腐蝕性能，因此形成明顯的過渡區域，寬度約75 mm，如圖3（c）所示；與遠離熱影響區的母材相比，熱影響區靠近焊縫區域出現晶界局部熔化，使得晶粒粗大，而靠近母材區則由于發生重結晶使得晶粒細化，如圖3（d）～（f）所示。

2.3焊接接頭抗腐蝕性能

對覆層母材與焊縫分別進行晶間腐蝕和點蝕試驗，覆層腐蝕試驗結果見表7。晶間腐蝕復層母材腐蝕速率0.218 mm/a，焊縫平均腐蝕速率0.684 mm/a，小于技術規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；點蝕試驗后試樣在20倍光鏡下無明顯點蝕坑，復層母材平均點蝕速率1.170 g/m2，焊縫平均點蝕速率1.101 g/m2，小于技術規定要求的最大點蝕速率4.0 g/m2；試驗結果符合美國標準要求。

對基層焊縫進行HIC試驗，試樣表面沒有發現裂紋，表明焊縫對氫致裂紋不敏感。

復層母材與焊縫晶間腐蝕后試樣表面微觀形貌如圖4所示。復層母材試樣表面呈溝槽結構，一個或多個晶粒完全被溝槽環繞，復層焊縫試樣呈典型的樹枝晶間溝槽結構，其腐蝕速率是母材的3倍左右。復層母材與焊縫點蝕后試樣表面微觀形貌如圖5所示。在高倍光鏡下，點蝕試樣表面有小的點蝕坑，焊縫試樣單個點蝕坑大于母材，但點蝕坑數量較少，母材試樣點蝕速率略大于焊縫試樣。

圖3　復層焊縫微觀組織

表7　覆層腐蝕試驗結果

圖4　晶間腐蝕后試樣表面微觀形貌

3　結　論

（1）通過合理的坡口設計，采用基層MAG預焊+雙面SAW焊+復層TIG焊對N08825/L450QS復合板進行焊接，提高了焊接效率，且焊接接頭各項力學性能均能滿足標準要求。

（2）對復合管焊接接頭進行晶間腐蝕、點蝕以及HIC腐蝕試驗，晶間腐蝕和點蝕腐蝕速率均滿足標準要求，HIC試驗未見裂紋。

圖5　點蝕后試樣表面微觀形貌

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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：TG44；TE931+.2搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0013-05