2021-4-9 | 石油技术论文
试验材料与焊接过程
试验材料为规格为准88.90mm×6.45mm的110钢级镍基合金油管及实物性能检测中焊接在油管两端起封堵作用的密封堵头。两种材料的力学性能如表1所示。为了消除镍基合金材料自身特性引起的性能问题，如低热导率、高线膨胀系数所导致的焊接热裂纹、焊接气孔、夹渣等焊接缺陷，同时为提高焊接接头强度，在试验过程中采用两种焊接材料进行焊接。焊接材料分别为双相不锈钢焊条和不锈钢焊条，焊条直径3.2mm。焊接方法为手工电弧焊，设备为直流焊机，极性为反接。两种焊条成分如表2所示。试验的油管两端加工成35毅～40毅单面V型焊接坡口，将两件密封堵头的一端加工成焊接坡口和油管进行焊接，另一端与试验机连接。焊接前对坡口两侧50mm范围进行严格的除油、除锈处理。工件进行预热，预热温度在60～80℃之间。焊接过程中焊条做适当摆动，推荐的焊接电流为70～100A，焊接电压为18～20V。先用不锈钢焊条打底，焊透根部。然后用双相不锈钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝要有至少3～4mm加强高度。焊接过程中严格控制层间温度在120℃以下。焊接工作完成后，用保温材料包裹焊接接头，冷至室温。
试验结果与分析
1.焊接接头组织分析：从油管与密封堵头焊好后的焊接接头试样上截取20mm×10mm×6mm的金相分析试样，经腐蚀后，采用MEF4M金相显微镜及图像分析系统观察接头的显微组织。密封堵头侧熔合区、细晶区与镍基合金油管侧热影响区的显微组织形貌如图1所示。显微分析结果表明，密封堵头侧熔合区组织为回火索氏体组织及上贝氏体组织，细晶区组织为回火索氏体组织、屈氏体组织及铁素体组织。密封堵头侧焊接后形成的组织决定了堵头侧材料具有高强度和韧性及抗疲劳性能。焊接接头细晶区析出的屈氏体组织对材料耐蚀性产生一定影响，但是不会影响接头的整体强度性能。镍基合金侧热影响区组织为奥氏体组织，热影响区组织与镍基合金母材组织一致，均为单一的变形奥氏体组织，在晶界上没有析出相，满足焊接接头性能对金相组织的要求。两种焊条结合处焊缝组织如图2所示。从图2可看出，两种焊条结合处焊缝组织为奥氏体和铁素体双相组织及少量碳化物析出。密封堵头侧及镍基合金侧焊缝组织均为与母材基体相一致的组织。在焊接填充材料及焊接工艺作用下，两种基体材料在焊接过程中形成良好的焊接接头，而且焊缝组织中含有大量奥氏体组织，这种接头组织有利于接头保证足够的塑性、韧性和耐腐蚀性。
2.力学性能检测结果与分析：对焊后试样分别取拉伸、弯曲、冲击、硬度试样，拉伸、冲击、弯曲试验结果如表3所示。焊接接头的性能一般低于两种母材基体的性能，这是由于母材、焊缝的化学成分、组织差异所导致的必然结果。然而上述试验结果表明，焊接接头的抗拉强度为725MPa，接近镍基合金母材的抗拉强度935MPa，断裂位置发生在镍基合金母材的热影响区，室温冲击吸收功为26J，且180毅弯曲试验后试样表面无裂纹，该接头的性能满足全尺寸实物性能检测试验中对焊缝强度和塑性的要求。焊接接头硬度分布如图3所示。可见，焊缝区硬度最高，其次是镍基合金热影响区；镍基合金母材及密封堵头母材硬度分布均匀；镍基合金母材侧出现低硬度区，在密封堵头侧熔合线附近靠近焊缝处出现低硬度峰值。造成这一现象的主要原因是，在焊接过程中，密封堵头熔合区一侧形成了一个主要为铁素体组织的贫碳软化区，而在熔合区另一侧形成一个高硬度的富碳区，导致界面上出现硬度突变的现象。同时，在焊缝上表面由于焊接过程中产生马氏体等脆性化合物，从而焊缝上表面硬度高于下表面。
全尺寸实物性能检测过程应用实例
对焊好后的油井管试样进行气密封载荷循环试验，试验加载步骤如表4所示。采用1500t立式复合加载试验机，按照表4加载步骤对试样进行加载，进行10个往复循环试验，试样焊缝处未出现裂纹、泄漏、断裂等失效现象。结果表明，采用此种焊接方法进行镍基合金油管全尺寸实物性能试样制备能够确保焊缝性能，满足油井管全尺寸性能检测需要。焊接接头的性能一般低于两种母材基体的性能，这是由于母材、焊缝的化学成分、组织差异所导致的必然结果。然而上述试验结果表明，焊接接头的抗拉强度为725MPa，接近镍基合金母材的抗拉强度935MPa，断裂位置发生在镍基合金母材的热影响区，室温冲击吸收功为26J，且180毅弯曲试验后试样表面无裂纹，该接头的性能满足全尺寸实物性能检测试验中对焊缝强度和塑性的要求。焊接接头硬度分布如图3所示。可见，焊缝区硬度最高，其次是镍基合金热影响区；镍基合金母材及密封堵头母材硬度分布均匀；镍基合金母材侧出现低硬度区，在密封堵头侧熔合线附近靠近焊缝处出现低硬度峰值。造成这一现象的主要原因是，在焊接过程中，密封堵头熔合区一侧形成了一个主要为铁素体组织的贫碳软化区，而在熔合区另一侧形成一个高硬度的富碳区，导致界面上出现硬度突变的现象。同时，在焊缝上表面由于焊接过程中产生马氏体等脆性化合物，从而焊缝上表面硬度高于下表面。3全尺寸实物性能检测过程应用实例对焊好后的油井管试样进行气密封载荷循环试验，试验加载步骤如表4所示。采用1500t立式复合加载试验机，按照表4加载步骤对试样进行加载，进行10个往复循环试验，试样焊缝处未出现裂纹、泄漏、断裂等失效现象。结果表明，采用此种焊接方法进行镍基合金油管全尺寸实物性能试样制备能够确保焊缝性能，满足油井管全尺寸性能检测需要。
结论
(1)焊缝金属的微观组织为奥氏体和铁素体双相组织及少量碳化物。大量奥氏体的存在，使接头具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。(2)焊接接头具有较高的塑性，弯曲试验焊缝未出现裂纹，接头抗拉强度为725MPa，略低于镍基合金母材，断裂发生在近镍基合金热影响区。(3)焊缝区硬度最高，其次是镍基合金热影响区，镍基合金母材及密封堵头侧硬度分布均匀，镍基合金母材侧出现低硬度区，在密封堵头侧熔合线附近靠近焊缝处出现低硬度峰值。(4)对焊接后的油管试样进行全尺寸拉伸、压缩、内压、弯曲等复合载荷共同作用的循环试验，焊接接头未出现裂纹、断裂、泄漏现象，满足油管全尺寸实物性能检测需要。(5)采用双相不锈钢焊条及不锈钢焊条进行镍基合金油管与密封堵头焊接，能够获得优良的焊接接头。（本文图表略）
本文作者：王蕊 李东风 韩军 韩新利 单位：中国石油集团石油管工程技术研究院