CMT焊接在直缝镍基复合管制造中的应用

材料已不能满足油气田发展需要，应用双金属复合管可有效解决单一金属材料的工程腐蚀问题，发挥其在苛刻腐蚀环境下的安全、经济优势。而双金属复合管的制造在我国尚处于起步阶段，各厂家的生产工艺也不尽相同，主要有机械复合和冶金复合两种结构形式。

我公司接某项目一批直缝镍基复合管制作任务，材质为N08825+L415MS，规格φ610×（3+18），合同要求复合管须采用爆炸复合板经预弯-折弯-焊接而成，力学和耐蚀性能应满足技术条件要求，产品数量大，工期紧。本文主要针对耐蚀层堆焊部分进行研究，通过对比氩弧焊GTAW和CMT焊接各自的特点，经焊接工艺试验，确定了合适的CMT规范参数，并成功应用于本项目复合管纵焊缝耐蚀合金层的堆焊，焊缝成形良好，耐腐蚀性能等均满足用户要求，保证了产品按时交货。

一、焊接性能分析及工艺的选择

1. N08825与L415MS焊接性分析

N08825是一种镍-铁-铬固溶强化合金，在室温下金相组织为奥氏体，具有抗氯离子应力腐蚀开裂、抗点蚀以及缝隙腐蚀等能力，与管线钢L415MS在化学成分、物理性能、力学性能等方面均有较大的差异。因此，在进行耐蚀层焊接时焊材的选择尤为重要，为防止基层对复层焊缝的稀释以及合金元素烧损、氧化等因素，应选择合金成分较高的焊材，同时应选用熔深较浅的焊接方法进行耐蚀层的堆焊。

据资料介绍，S和Si在825合金焊缝中容易偏析，S和Ni形成Ni-NiS低熔点共晶，Si和O等形成复杂的硅酸盐，在焊缝金属凝固过程中，在焊接应力作用下可能产生晶间裂纹或高温低塑性裂纹[1]。另外，N08825与L415MS两种材料的热膨胀量相差较大，在焊接热循环作用下接头处会产生较大的焊接残余应力。

因镍基合金导热性差，如果焊接时电流过大，速度过慢等容易引起焊缝晶粒粗大，进而使得晶粒边界上集中脆性的低熔点共晶体而产生裂纹，因此，应选用较小的焊接线能量并严格控制层间温度。另外，由于镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，易氧化等特点，焊接时应加强对熔池及高温区的保护，以及采用氩加少量氦的混合气来改善焊缝流动性，使焊缝成形良好，又不易被氧化。

2.焊接方法的选择

目前国内直缝冶金复合管生产工艺基本同纯碳钢管相类似：刨边-预弯-折弯-合缝预焊-基层内焊-基层外焊-耐腐蚀层堆焊，基层内、外焊大多选用多丝埋弧焊，耐蚀层堆焊一般采用氩弧焊（GTAW）、等离子焊（PAW）以及电渣焊（ESW）等进行焊接。本项目复合管复层为镍基合金N08825，其焊接难度大，焊缝耐蚀性能要求高，电渣焊因热输入大、稀释率高，焊缝性能很难满足要求；氩弧焊和等离子堆焊的焊缝性能优良，但其效率均比较低，根本无法满足产品按时交货，因此我们考虑采用CMT焊来进行复合管耐蚀层的堆焊。

CMT（Cold Metal Transfer）冷金属过渡技术是福尼斯（ Fronius）公司开发的一种革新技术，其独特的熔滴过渡控制方式使其具有焊接热输入小，能有效减小焊接变形；电弧更加稳定，焊接过程无飞溅；焊缝稀释率低，性能优异；焊接效率高等特点。据介绍理论上其熔敷效率最高可达6kg/h，普通氩弧焊实际生产大约6-9kg/8h（每班），而CMT焊实际生产大约25kg/8h，焊接效率是氩弧焊的2-3倍[2]。

二、焊接工艺评定试验

1.焊接材料

由于N08825合金与L415MS化学成分差异较大，同时考虑到基层对复层焊缝的稀释以及合金元素烧损等因素，选用合金成分更高的ERNiCrMo-3焊丝进行焊接试验，焊丝直径为φ1.0，化学成分见表1。

2.试验用母材化学成分及力学性能

焊接试验采用母材为API SPEC 5L-L415MS，规格为δ18×500×200mm，化学成分及力学性能见表2和表3，试板尺寸及焊缝见图1。

3.焊接工艺措施及规范参数

根据上文焊接性能分析，镍基合金耐蚀层堆焊的难度较大，要获得合格的焊缝性能，必须通过严格的工艺措施来保证。焊接前用砂轮机打磨去除堆焊区域母材表面的铁锈及其他杂物，露出金属光泽，并用丙酮清洗去除油脂等。采用枪体加拖罩联合保护方式，对熔池及焊缝高温区域进行保护，枪体为95%的Ar+5%的He混合气，拖罩为纯氩（≥99.99%），同时严格控制层间温度在100℃以内。焊接规范参数见表4。

4.试验结果

按ASME Ⅸ卷焊接和钎焊评定以及相关试验标准对试板进行PT检测、弯曲试验、化学分析、耐腐蚀试验等一系列测试，各项试验均合格，结果如下：

4.1 渗透检测

对焊缝表面进行100%渗透检测，未见圆形或线性显示，试验结果合格。

4.2 弯曲试验

对试板进行侧弯试验，试样厚度10mm，弯心直径40mm，弯曲角度180°，4件试样受弯面均无开口缺陷，试验合格。

4.3 宏观及微观金相检查

对焊缝截面抛光后，用侵蚀剂进行侵蚀，用5倍放大镜进行观察，焊缝及热影响区截面熔合良好，无气孔、夹杂以及裂纹等缺陷。焊缝组织致密，微观组织为奥氏体加微量析出物。

4.4 硬度测试

对堆焊层进行HV10硬度测试，三个测试值分别为：210，215，215，满足用户技术条件要求。

4.5 化学分析

对距熔合线2mm处焊缝金属进行化学成分测试，试验合格，结果见表5。

4.6 耐腐蚀性试验

对堆焊层焊缝金属分别进行ASTM G28A和ASTM G48A试验，均满足技术条件要求，其中ASTM G28A试验要求腐蚀率小于1mm/a，试验结果见表6。

三、实际应用

为提高复合管生产效率，我公司率先引进4套CMT内焊系统，焊机型号为Fronius公司TPS4000CMT焊机，利用胀紧的钢丝绳作为焊接小车导轨，配合焊枪摆动器、激光跟踪系统以及视频监控系统等，完成双金属复合管耐蚀层的焊接。

我们根据本项目复合管材质及规格进行分析，同时考虑工期等因素，决定采用该CMT内焊系统来进行耐蚀层的焊接，焊接现场及焊缝外观见图2。经对比，耐蚀层采用CMT比氩弧焊堆焊效率提高了近3倍，焊缝成形良好，X射线检测一次通过率达99.5%以上。通过取样进行化学成分、耐腐蚀性试验等，各项指标均满足技术条件要求，顺利完成工作任务。

四、结语

1.经焊接试验表明，针对N08825+L415MS复合管耐蚀层堆焊，选择合适的焊接程序及工艺参数，采用CMT焊接可以获得性能良好的焊缝，表面成形好，焊接效率较高。

2.通过对焊缝的ASTM G28A和点蚀等耐腐蚀试验证明，N08825+L415MS镍基复合管采用CMT堆焊的焊缝具有优良的耐腐蚀性能，能够满足其服役环境的应用要求。

3.由于CMT焊接的熔深较浅，因此在坡口设计时应充分考虑其特性，避免产生未熔合等缺陷。

参考文献

[1]房茂义.Incoloy825镍基耐蚀合金的焊接 [J].1999（3）：55-56.

[2]于建平.CMT焊接在堆焊（包覆）镍基耐蚀合金层中的应用 [J].石油化工设备技术，2013（5）：49-52.

作者简介：刘建立，（1978-），本科，工程师，四川惊雷科技股份有限公司工艺处副处长，主要从事压力容器、复合钢板以及双金属复合管焊接工艺研究及应用。

推荐访问:焊接 复合管 制造 CMT 直缝镍基