試驗(yàn)材料與焊接過程

試驗(yàn)材料為規(guī)格為準(zhǔn)88.90mm×6.45mm的110鋼級(jí)鎳基合金油管及實(shí)物性能檢測(cè)中焊接在油管兩端起封堵作用的密封堵頭。兩種材料的力學(xué)性能如表1所示。為了消除鎳基合金材料自身特性引起的性能問題，如低熱導(dǎo)率、高線膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的焊接熱裂紋、焊接氣孔、夾渣等焊接缺陷，同時(shí)為提高焊接接頭強(qiáng)度，在試驗(yàn)過程中采用兩種焊接材料進(jìn)行焊接。焊接材料分別為雙相不銹鋼焊條和不銹鋼焊條，焊條直徑3.2mm。焊接方法為手工電弧焊，設(shè)備為直流焊機(jī)，極性為反接。兩種焊條成分如表2所示。試驗(yàn)的油管兩端加工成35毅～40毅單面V型焊接坡口，將兩件密封堵頭的一端加工成焊接坡口和油管進(jìn)行焊接，另一端與試驗(yàn)機(jī)連接。焊接前對(duì)坡口兩側(cè)50mm范圍進(jìn)行嚴(yán)格的除油、除銹處理。工件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在60～80℃之間。焊接過程中焊條做適當(dāng)擺動(dòng)，推薦的焊接電流為70～100A，焊接電壓為18～20V。先用不銹鋼焊條打底，焊透根部。然后用雙相不銹鋼焊條進(jìn)行焊接，均勻環(huán)焊，坡口焊滿后焊縫要有至少3～4mm加強(qiáng)高度。焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度在120℃以下。焊接工作完成后，用保溫材料包裹焊接接頭，冷至室溫。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.焊接接頭組織分析：從油管與密封堵頭焊好后的焊接接頭試樣上截取20mm×10mm×6mm的金相分析試樣，經(jīng)腐蝕后，采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)觀察接頭的顯微組織。密封堵頭側(cè)熔合區(qū)、細(xì)晶區(qū)與鎳基合金油管側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織形貌如圖1所示。顯微分析結(jié)果表明，密封堵頭側(cè)熔合區(qū)組織為回火索氏體組織及上貝氏體組織，細(xì)晶區(qū)組織為回火索氏體組織、屈氏體組織及鐵素體組織。密封堵頭側(cè)焊接后形成的組織決定了堵頭側(cè)材料具有高強(qiáng)度和韌性及抗疲勞性能。焊接接頭細(xì)晶區(qū)析出的屈氏體組織對(duì)材料耐蝕性產(chǎn)生一定影響，但是不會(huì)影響接頭的整體強(qiáng)度性能。鎳基合金側(cè)熱影響區(qū)組織為奧氏體組織，熱影響區(qū)組織與鎳基合金母材組織一致，均為單一的變形奧氏體組織，在晶界上沒有析出相，滿足焊接接頭性能對(duì)金相組織的要求。兩種焊條結(jié)合處焊縫組織如圖2所示。從圖2可看出，兩種焊條結(jié)合處焊縫組織為奧氏體和鐵素體雙相組織及少量碳化物析出。密封堵頭側(cè)及鎳基合金側(cè)焊縫組織均為與母材基體相一致的組織。在焊接填充材料及焊接工藝作用下，兩種基體材料在焊接過程中形成良好的焊接接頭，而且焊縫組織中含有大量奧氏體組織，這種接頭組織有利于接頭保證足夠的塑性、韌性和耐腐蝕性。

2.力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果與分析：對(duì)焊后試樣分別取拉伸、彎曲、沖擊、硬度試樣，拉伸、沖擊、彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。焊接接頭的性能一般低于兩種母材基體的性能，這是由于母材、焊縫的化學(xué)成分、組織差異所導(dǎo)致的必然結(jié)果。然而上述試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為725MPa，接近鎳基合金母材的抗拉強(qiáng)度935MPa，斷裂位置發(fā)生在鎳基合金母材的熱影響區(qū)，室溫沖擊吸收功為26J，且180毅彎曲試驗(yàn)后試樣表面無裂紋，該接頭的性能滿足全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)試驗(yàn)中對(duì)焊縫強(qiáng)度和塑性的要求。焊接接頭硬度分布如圖3所示。可見，焊縫區(qū)硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區(qū)；鎳基合金母材及密封堵頭母材硬度分布均勻；鎳基合金母材側(cè)出現(xiàn)低硬度區(qū)，在密封堵頭側(cè)熔合線附近靠近焊縫處出現(xiàn)低硬度峰值。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，在焊接過程中，密封堵頭熔合區(qū)一側(cè)形成了一個(gè)主要為鐵素體組織的貧碳軟化區(qū)，而在熔合區(qū)另一側(cè)形成一個(gè)高硬度的富碳區(qū)，導(dǎo)致界面上出現(xiàn)硬度突變的現(xiàn)象。同時(shí)，在焊縫上表面由于焊接過程中產(chǎn)生馬氏體等脆性化合物，從而焊縫上表面硬度高于下表面。

全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)過程應(yīng)用實(shí)例

對(duì)焊好后的油井管試樣進(jìn)行氣密封載荷循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載步驟如表4所示。采用1500t立式復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)，按照表4加載步驟對(duì)試樣進(jìn)行加載，進(jìn)行10個(gè)往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)，試樣焊縫處未出現(xiàn)裂紋、泄漏、斷裂等失效現(xiàn)象。結(jié)果表明，采用此種焊接方法進(jìn)行鎳基合金油管全尺寸實(shí)物性能試樣制備能夠確保焊縫性能，滿足油井管全尺寸性能檢測(cè)需要。焊接接頭的性能一般低于兩種母材基體的性能，這是由于母材、焊縫的化學(xué)成分、組織差異所導(dǎo)致的必然結(jié)果。然而上述試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為725MPa，接近鎳基合金母材的抗拉強(qiáng)度935MPa，斷裂位置發(fā)生在鎳基合金母材的熱影響區(qū)，室溫沖擊吸收功為26J，且180毅彎曲試驗(yàn)后試樣表面無裂紋，該接頭的性能滿足全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)試驗(yàn)中對(duì)焊縫強(qiáng)度和塑性的要求。焊接接頭硬度分布如圖3所示。可見，焊縫區(qū)硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區(qū)；鎳基合金母材及密封堵頭母材硬度分布均勻；鎳基合金母材側(cè)出現(xiàn)低硬度區(qū)，在密封堵頭側(cè)熔合線附近靠近焊縫處出現(xiàn)低硬度峰值。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，在焊接過程中，密封堵頭熔合區(qū)一側(cè)形成了一個(gè)主要為鐵素體組織的貧碳軟化區(qū)，而在熔合區(qū)另一側(cè)形成一個(gè)高硬度的富碳區(qū)，導(dǎo)致界面上出現(xiàn)硬度突變的現(xiàn)象。同時(shí)，在焊縫上表面由于焊接過程中產(chǎn)生馬氏體等脆性化合物，從而焊縫上表面硬度高于下表面。3全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)過程應(yīng)用實(shí)例對(duì)焊好后的油井管試樣進(jìn)行氣密封載荷循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載步驟如表4所示。采用1500t立式復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)，按照表4加載步驟對(duì)試樣進(jìn)行加載，進(jìn)行10個(gè)往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)，試樣焊縫處未出現(xiàn)裂紋、泄漏、斷裂等失效現(xiàn)象。結(jié)果表明，采用此種焊接方法進(jìn)行鎳基合金油管全尺寸實(shí)物性能試樣制備能夠確保焊縫性能，滿足油井管全尺寸性能檢測(cè)需要。

結(jié)論

(1)焊縫金屬的微觀組織為奧氏體和鐵素體雙相組織及少量碳化物。大量奧氏體的存在，使接頭具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。(2)焊接接頭具有較高的塑性，彎曲試驗(yàn)焊縫未出現(xiàn)裂紋，接頭抗拉強(qiáng)度為725MPa，略低于鎳基合金母材，斷裂發(fā)生在近鎳基合金熱影響區(qū)。(3)焊縫區(qū)硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區(qū)，鎳基合金母材及密封堵頭側(cè)硬度分布均勻，鎳基合金母材側(cè)出現(xiàn)低硬度區(qū)，在密封堵頭側(cè)熔合線附近靠近焊縫處出現(xiàn)低硬度峰值。(4)對(duì)焊接后的油管試樣進(jìn)行全尺寸拉伸、壓縮、內(nèi)壓、彎曲等復(fù)合載荷共同作用的循環(huán)試驗(yàn)，焊接接頭未出現(xiàn)裂紋、斷裂、泄漏現(xiàn)象，滿足油管全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)需要。(5)采用雙相不銹鋼焊條及不銹鋼焊條進(jìn)行鎳基合金油管與密封堵頭焊接，能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。（本文圖表略）

本文作者：王蕊 李東風(fēng) 韓軍 韓新利 單位：中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院