鎳基合金低溫碳鋼復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，在接焊試驗中是進行鎳基合金低溫碳鋼復合管的對接，焊后再進行焊接接頭的彎曲、宏觀、拉伸等試驗，并進行微觀金相、化學成分等分析。其試驗結果顯示，焊接接頭具有良好的力學性，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。

關鍵詞：鎳基合金;低溫碳鋼復合管;手工電弧焊;晶間腐蝕

1 ?試驗焊接材料與工藝參數

在實驗中，采用的基體是API 5L X65，選取的復合管內襯層是UNS N06625，其尺寸是？準507.1mm×31.6mm，2.4mm。InconelFM625（ERNiCrMo-3）是選用鎳基合金的直徑，其內襯層的厚度是3cm。焊條用3.2mm 的InconelWE112（ENiCrMo-3）直徑的進行蓋面焊，用焊絲進行打底，填充焊。表1與表2分別顯示的是母材與襯層的化學成分，表3則顯示的化學成分是焊絲、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。有關坡口打磨工作，這是一項在焊接前要對坡口表面進行打磨的工作，同時，需要在坡口應用丙酮，來進行清理表面的氧化鐵銹和油污等。將與內層鎳基合金材質比較相近或者相同的焊絲用在鎳基合金低溫碳鋼復合管的焊接上面，確保取得的焊接接頭具有較好的力學性能及耐腐蝕性。在進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，其預熱溫度最高與最低限制分別為150℃、50℃。在鎳基材質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，對熱輸入的工藝進行嚴格控制，進行焊接時要對坡口底部的內層金屬配合適當氣體保護再焊接，使內應力較大與成分偏析的情況在弧坑內避免形成，使焊縫出現裂紋及氣孔等具有危害性的缺陷，進而使焊接接頭質量受到影響。

具體焊接工藝參數見表4。

2 ?試驗方法

2.1 力學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（H2SO4）98%溶液依據要求加到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行打磨完畢，隨后將其放置到微沸的狀態保持120 h已經配置好的溶液當中。將試驗中用的試樣在試驗結束后，放置于流水的狀態下進行沖洗，然后將清洗中的試樣放進超聲波清洗儀中烘干，最后再進行稱量。

WAW-1000C 型萬能試驗機上，依拉伸試樣的標準要求：DNV-OS-F101，將4件縮減面進行拉伸試驗與2件全焊縫拉伸試驗。

彎曲試驗決定的要求標準是依據DNV-OS-F101 ，其壓頭直徑為50mm， 彎曲角度為180°。在WDW-300E 型萬能試驗機上進行的是側彎試驗。

依據DNV-OS-F101的試驗標準，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、細磨及粗磨方面，其依據為GB/T 13298—2015，隨后顯微組織將選用？準（草酸）10%電解浸蝕，最后，再用OLY MPUS-GX51金相顯微鏡對熱影響區、焊縫與母材的顯微組織進行觀察。

2.3 復合管襯層焊接接頭化學成分的測試

應用的Q8 Magellan型光譜分析儀測試襯層，其0.5mm處焊縫化學成分在根部焊道的表層下方，選取標準依照的是DNV-OS-F101。

3 ?試驗結果與分析

3.1 力學性能的結果和分析

表5呈現的是拉伸試驗結果。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要求大，焊縫金屬具有良好的綜合力學性能。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的地方，顯現出，焊縫處的拉強度比母材的抗拉強度高。

在常溫下，對焊接接頭所進行的側彎試驗是彎曲試驗，肉眼可見情況下，未發現彎曲試驗在受拉面有裂縫、夾層與分層現象出現，表明焊縫金屬具有良好的延展性，夏比沖擊試驗結果中顯示，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，這主要體現于材料發生塑性的變形和與斷裂中，發生脆斷的可能性較小。

3.2 宏觀形貌結果與分析

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

3.3 化學成分測試結果與分析

表3具體為，與AWS A5.14鎳與鎳基合金填充焊絲標準中ERNiCrMo-3 材質的化學成分要求相符合的化學成分，為復合管襯層焊接接頭。（表6）

3.4 晶間腐蝕結果與分析

表7顯示的是焊縫金屬晶間腐蝕試驗的結果，3個試樣平均腐蝕速率0.5257mm/年，與ASTM G 28—2002標準要求相比較小，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果顯示。產生晶間應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成分結果，其w（C）只有0.02%，所以，晶界所析出碳化物在焊縫比較少。根據金相試驗結果分析，再進一步驗證，實驗中，未在焊縫金屬中發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 ?結論

①在進行鎳基合金低溫碳鋼復合管對接焊時，需采用ERNiCrMo-3材質鎳基焊絲和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進行，由試驗結果表明焊縫有著良好的外觀形貌與力學性能[1]。

②單一奧氏體組織為鎳基合金母材、焊縫和熱影響區顯微組織，這些組織的形貌各區域具有差異性，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成分的分析結果，此結果使焊接接頭化學成分的標準要求得以滿足，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為：0.5257mm/年為焊縫晶間腐蝕平均速率。

參考文獻：

[1]雷凌云，呂華，王冬林，等.碳鋼/鎳基雙金屬符合管質量分析[J].設備管理與維修，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.