試驗材料與焊接過程

試驗材料為規格為準88.90mm×6.45mm的110鋼級鎳基合金油管及實物性能檢測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，如低熱導率、高線膨脹系數所導致的焊接熱裂紋、焊接氣孔、夾渣等焊接缺陷，同時為提高焊接接頭強度，在試驗過程中采用兩種焊接材料進行焊接。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，設備為直流焊機，極性為反接。兩種焊條成分如表2所示。試驗的油管兩端加工成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行焊接，另一端與試驗機連接。焊接前對坡口兩側50mm范圍進行嚴格的除油、除銹處理。工件進行預熱，預熱溫度在60～80℃之間。焊接過程中焊條做適當擺動，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行焊接，均勻環焊，坡口焊滿后焊縫要有至少3～4mm加強高度。焊接過程中嚴格控制層間溫度在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。

試驗結果與分析

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，經腐蝕后，采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統觀察接頭的顯微組織。密封堵頭側熔合區、細晶區與鎳基合金油管側熱影響區的顯微組織形貌如圖1所示。顯微分析結果表明，密封堵頭側熔合區組織為回火索氏體組織及上貝氏體組織，細晶區組織為回火索氏體組織、屈氏體組織及鐵素體組織。密封堵頭側焊接后形成的組織決定了堵頭側材料具有高強度和韌性及抗疲勞性能。焊接接頭細晶區析出的屈氏體組織對材料耐蝕性產生一定影響，但是不會影響接頭的整體強度性能。鎳基合金側熱影響區組織為奧氏體組織，熱影響區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金相組織的要求。兩種焊條結合處焊縫組織如圖2所示。從圖2可看出，兩種焊條結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。密封堵頭側及鎳基合金側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.力學性能檢測結果與分析：對焊后試樣分別取拉伸、彎曲、沖擊、硬度試樣，拉伸、沖擊、彎曲試驗結果如表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、焊縫的化學成分、組織差異所導致的必然結果。然而上述試驗結果表明，焊接接頭的抗拉強度為725MPa，接近鎳基合金母材的抗拉強度935MPa，斷裂位置發生在鎳基合金母材的熱影響區，室溫沖擊吸收功為26J，且180毅彎曲試驗后試樣表面無裂紋，該接頭的性能滿足全尺寸實物性能檢測試驗中對焊縫強度和塑性的要求。焊接接頭硬度分布如圖3所示。可見，焊縫區硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區；鎳基合金母材及密封堵頭母材硬度分布均勻；鎳基合金母材側出現低硬度區，在密封堵頭側熔合線附近靠近焊縫處出現低硬度峰值。造成這一現象的主要原因是，在焊接過程中，密封堵頭熔合區一側形成了一個主要為鐵素體組織的貧碳軟化區，而在熔合區另一側形成一個高硬度的富碳區，導致界面上出現硬度突變的現象。同時，在焊縫上表面由于焊接過程中產生馬氏體等脆性化合物，從而焊縫上表面硬度高于下表面。

全尺寸實物性能檢測過程應用實例

對焊好后的油井管試樣進行氣密封載荷循環試驗，試驗加載步驟如表4所示。采用1500t立式復合加載試驗機，按照表4加載步驟對試樣進行加載，進行10個往復循環試驗，試樣焊縫處未出現裂紋、泄漏、斷裂等失效現象。結果表明，采用此種焊接方法進行鎳基合金油管全尺寸實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、焊縫的化學成分、組織差異所導致的必然結果。然而上述試驗結果表明，焊接接頭的抗拉強度為725MPa，接近鎳基合金母材的抗拉強度935MPa，斷裂位置發生在鎳基合金母材的熱影響區，室溫沖擊吸收功為26J，且180毅彎曲試驗后試樣表面無裂紋，該接頭的性能滿足全尺寸實物性能檢測試驗中對焊縫強度和塑性的要求。焊接接頭硬度分布如圖3所示。可見，焊縫區硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區；鎳基合金母材及密封堵頭母材硬度分布均勻；鎳基合金母材側出現低硬度區，在密封堵頭側熔合線附近靠近焊縫處出現低硬度峰值。造成這一現象的主要原因是，在焊接過程中，密封堵頭熔合區一側形成了一個主要為鐵素體組織的貧碳軟化區，而在熔合區另一側形成一個高硬度的富碳區，導致界面上出現硬度突變的現象。同時，在焊縫上表面由于焊接過程中產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全尺寸實物性能檢測過程應用實例對焊好后的油井管試樣進行氣密封載荷循環試驗，試驗加載步驟如表4所示。采用1500t立式復合加載試驗機，按照表4加載步驟對試樣進行加載，進行10個往復循環試驗，試樣焊縫處未出現裂紋、泄漏、斷裂等失效現象。結果表明，采用此種焊接方法進行鎳基合金油管全尺寸實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需要。

結論

(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性能和耐腐蝕性能。(2)焊接接頭具有較高的塑性，彎曲試驗焊縫未出現裂紋，接頭抗拉強度為725MPa，略低于鎳基合金母材，斷裂發生在近鎳基合金熱影響區。(3)焊縫區硬度最高，其次是鎳基合金熱影響區，鎳基合金母材及密封堵頭側硬度分布均勻，鎳基合金母材側出現低硬度區，在密封堵頭側熔合線附近靠近焊縫處出現低硬度峰值。(4)對焊接后的油管試樣進行全尺寸拉伸、壓縮、內壓、彎曲等復合載荷共同作用的循環試驗，焊接接頭未出現裂紋、斷裂、泄漏現象，滿足油管全尺寸實物性能檢測需要。(5)采用雙相不銹鋼焊條及不銹鋼焊條進行鎳基合金油管與密封堵頭焊接，能夠獲得優良的焊接接頭。（本文圖表略）

本文作者：王蕊 李東風 韓軍 韓新利 單位：中國石油集團石油管工程技術研究院