鎳基合金低溫碳鋼復(fù)合管焊接接頭性能研究

朱亮

摘要：采用GTAW 打底+SMAW 填充的焊接，在接焊試驗中是進(jìn)行鎳基合金低溫碳鋼復(fù)合管的對接，焊后再進(jìn)行焊接接頭的彎曲、宏觀、拉伸等試驗，并進(jìn)行微觀金相、化學(xué)成分等分析。其試驗結(jié)果顯示，焊接接頭具有良好的力學(xué)性，奧氏體組織具有單一性是焊縫顯微組織，無有害的第三相存在; 焊縫晶間平均腐蝕速率為0.5257mm/年，表明焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：鎳基合金;低溫碳鋼復(fù)合管;手工電弧焊;晶間腐蝕

1 ?試驗焊接材料與工藝參數(shù)

在實驗中，采用的基體是API 5L X65，選取的復(fù)合管內(nèi)襯層是UNS N06625，其尺寸是？準(zhǔn)507.1mm×31.6mm，2.4mm。InconelFM625（ERNiCrMo-3）是選用鎳基合金的直徑，其內(nèi)襯層的厚度是3cm。焊條用3.2mm 的InconelWE112（ENiCrMo-3）直徑的進(jìn)行蓋面焊，用焊絲進(jìn)行打底，填充焊。表1與表2分別顯示的是母材與襯層的化學(xué)成分，表3則顯示的化學(xué)成分是焊絲、焊條的。

焊接位置為6G， 采取坡口為V形的形式，其根部的間隙是2～4mm，坡口的角度為60°，鈍邊是1～2mm。有關(guān)坡口打磨工作，這是一項在焊接前要對坡口表面進(jìn)行打磨的工作，同時，需要在坡口應(yīng)用丙酮，來進(jìn)行清理表面的氧化鐵銹和油污等。將與內(nèi)層鎳基合金材質(zhì)比較相近或者相同的焊絲用在鎳基合金低溫碳鋼復(fù)合管的焊接上面，確保取得的焊接接頭具有較好的力學(xué)性能及耐腐蝕性。在進(jìn)行焊接的時候要將熱輸入控制在1.0～2.0kJ/mm間，并保持符合材料焊接的表面光順平整，其預(yù)熱溫度最高與最低限制分別為150℃、50℃。在鎳基材質(zhì)焊接時基于其流動性差、熔深較淺的特點，選用電流、焊接速度較小的，對熱輸入的工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，進(jìn)行焊接時要對坡口底部的內(nèi)層金屬配合適當(dāng)氣體保護(hù)再焊接，使內(nèi)應(yīng)力較大與成分偏析的情況在弧坑內(nèi)避免形成，使焊縫出現(xiàn)裂紋及氣孔等具有危害性的缺陷，進(jìn)而使焊接接頭質(zhì)量受到影響。

具體焊接工藝參數(shù)見表4。

2 ?試驗方法

2.1 力學(xué)性能與晶間腐蝕試驗

在實驗中，晶間腐蝕試驗ASTM G28-02方法A是采用的方法，其試驗件的尺寸是2mm×15mm×45mm，取的3件試樣為全焊縫，需沿焊縫縱向選取。將236 mL 的

？準(zhǔn)（H2SO4）98%溶液依據(jù)要求加到400 mL蒸餾水中，再把w（Fe2（SO4）3）75%加入到所稱取的硫酸溶液中。用80 目的濕砂紙或者120 目的干砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨完畢，隨后將其放置到微沸的狀態(tài)保持120 h已經(jīng)配置好的溶液當(dāng)中。將試驗中用的試樣在試驗結(jié)束后，放置于流水的狀態(tài)下進(jìn)行沖洗，然后將清洗中的試樣放進(jìn)超聲波清洗儀中烘干，最后再進(jìn)行稱量。

WAW-1000C 型萬能試驗機(jī)上，依拉伸試樣的標(biāo)準(zhǔn)要求：DNV-OS-F101，將4件縮減面進(jìn)行拉伸試驗與2件全焊縫拉伸試驗。

彎曲試驗決定的要求標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)DNV-OS-F101 ，其壓頭直徑為50mm， 彎曲角度為180°。在WDW-300E 型萬能試驗機(jī)上進(jìn)行的是側(cè)彎試驗。

依據(jù)DNV-OS-F101的試驗標(biāo)準(zhǔn)，焊縫蓋面中，夏比沖擊在其焊縫中心熔合線、熔合線+2mm、+5mm 及焊縫底部熔合線、焊縫中心、熔合線+5mm，熔合線+2mm，然后，對10mm×10mm×55mm依次進(jìn)行取值，各自為一組的是V形缺口沖擊試樣，其在JBN-500 型屏顯沖擊試驗機(jī)上顯示低溫沖擊試驗，其溫度為-30℃。

2.2 微觀金相測試

在對金相試樣的拋光、細(xì)磨及粗磨方面，其依據(jù)為GB/T 13298—2015，隨后顯微組織將選用？準(zhǔn)（草酸）10%電解浸蝕，最后，再用OLY MPUS-GX51金相顯微鏡對熱影響區(qū)、焊縫與母材的顯微組織進(jìn)行觀察。

2.3 復(fù)合管襯層焊接接頭化學(xué)成分的測試

應(yīng)用的Q8 Magellan型光譜分析儀測試襯層，其0.5mm處焊縫化學(xué)成分在根部焊道的表層下方，選取標(biāo)準(zhǔn)依照的是DNV-OS-F101。

3 ?試驗結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能的結(jié)果和分析

表5呈現(xiàn)的是拉伸試驗結(jié)果。全焊縫拉伸試驗是C1，C2，它們的屈服、抗拉強度與伸長率都比技術(shù)要求大，焊縫金屬具有良好的綜合力學(xué)性能。減截面橫向拉伸試驗是C4，C5，C6，C7，母材的抗拉強度比它低535MPa，得以使母材規(guī)定的抗拉強度要求得到滿足。在試驗中，母材處是所有試件的斷裂位置出現(xiàn)的地方，顯現(xiàn)出，焊縫處的拉強度比母材的抗拉強度高。

在常溫下，對焊接接頭所進(jìn)行的側(cè)彎試驗是彎曲試驗，肉眼可見情況下，未發(fā)現(xiàn)彎曲試驗在受拉面有裂縫、夾層與分層現(xiàn)象出現(xiàn)，表明焊縫金屬具有良好的延展性，夏比沖擊試驗結(jié)果中顯示，焊縫的上表面及下表面的沖擊吸收功較為相近，其中上表面不含襯層下表面含襯層，焊接接頭在-30 ℃下沖擊韌性較為良好，有著較強的能量吸收能力，這主要體現(xiàn)于材料發(fā)生塑性的變形和與斷裂中，發(fā)生脆斷的可能性較小。

3.2 宏觀形貌結(jié)果與分析

鎳基合金低溫碳鋼復(fù)合管焊接接頭，其宏觀腐蝕形貌，在焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣、未熔合及組織疏松等冶金情況出現(xiàn)，界面比較明顯的是焊縫與母材。熱影響區(qū)比較大的是基體的碳鋼處，而熱影響區(qū)較小的是襯層鎳基合金處的焊接。

3.3 化學(xué)成分測試結(jié)果與分析

表3具體為，與AWS A5.14鎳與鎳基合金填充焊絲標(biāo)準(zhǔn)中ERNiCrMo-3 材質(zhì)的化學(xué)成分要求相符合的化學(xué)成分，為復(fù)合管襯層焊接接頭。（表6）

3.4 晶間腐蝕結(jié)果與分析

表7顯示的是焊縫金屬晶間腐蝕試驗的結(jié)果，3個試樣平均腐蝕速率0.5257mm/年，與ASTM G 28—2002標(biāo)準(zhǔn)要求相比較小，焊縫晶間腐蝕速率小于1.0mm/年的要求，焊縫金屬的耐晶間腐蝕性能較強為結(jié)果顯示。產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素是富Cr的碳化物在晶界處析出引起的在晶界處貧Cr。有研究表明當(dāng)w（C）<0.09%時，析出較少的是晶間碳化物。由表6所顯示的焊縫金屬化學(xué)成分結(jié)果，其w（C）只有0.02%，所以，晶界所析出碳化物在焊縫比較少。根據(jù)金相試驗結(jié)果分析，再進(jìn)一步驗證，實驗中，未在焊縫金屬中發(fā)生氮化物及金屬間化合物等有害的第三相。由此可得出，焊縫金屬具有較強的耐晶間腐蝕能力（表7）。

4 ?結(jié)論

①在進(jìn)行鎳基合金低溫碳鋼復(fù)合管對接焊時，需采用ERNiCrMo-3材質(zhì)鎳基焊絲和GTAW+SMAW，焊接接頭有較好的焊接性，在多層多道焊時要選取合適的焊接參數(shù)進(jìn)行，由試驗結(jié)果表明焊縫有著良好的外觀形貌與力學(xué)性能[1]。

②單一奧氏體組織為鎳基合金母材、焊縫和熱影響區(qū)顯微組織，這些組織的形貌各區(qū)域具有差異性，此外，鎳基合金焊縫對耐蝕性能的金屬間相不具有影響。其熱影響區(qū)及碳鋼母材的顯微組織都是少量珠光體與塊狀鐵素體[2]。

③w（C）0.02%，較低的碳含量降低以及晶間碳化物的形成是焊接接頭化學(xué)成分的分析結(jié)果，此結(jié)果使焊接接頭化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求得以滿足，并且使焊縫耐晶間腐蝕性能得到了有效保證。

④良好的耐晶間腐蝕性能在鎳基合金焊縫的較好體現(xiàn)為：0.5257mm/年為焊縫晶間腐蝕平均速率。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷凌云，呂華，王冬林，等.碳鋼/鎳基雙金屬符合管質(zhì)量分析[J].設(shè)備管理與維修，2016（8）：38-39.

[2]張偉紅，信昕，賈丹，等.碳含量對一種鎳基合金組織的影響[C].第十三屆中國高溫合金年會摘要文集，2015.