20/IN625復(fù)合管焊縫擴(kuò)散層組織及元素分析

張俠洲，司愿春，王鳳會(huì)

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.新疆吐哈油田建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 鄯善 838202）

20/IN625復(fù)合管焊縫擴(kuò)散層組織及元素分析

張俠洲1，司愿春2，王鳳會(huì)1

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.新疆吐哈油田建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 鄯善 838202）

為了研究雙金屬?gòu)?fù)合板焊接接頭組織、元素?cái)U(kuò)散情況及其對(duì)力學(xué)性能的影響，采用兩種焊接方案對(duì)20/IN625雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)焊縫擴(kuò)散層顯微組織及合金元素分布進(jìn)行了分析，并且采用顯微硬度計(jì)測(cè)定了擴(kuò)散層附近的硬度分布。研究結(jié)果表明，基層焊縫組織主要為針狀鐵素體，不銹鋼層和過渡層焊縫組織為奧氏體和少量鐵素體。增加過渡層焊道可以減少不銹鋼焊道Cr、Ni、Mo合金元素的稀釋量，使擴(kuò)散層界面變模糊，并降低擴(kuò)散層處的硬度。兩種焊接方案中焊縫擴(kuò)散層處的硬度均高于其兩側(cè)焊縫硬度。

20/IN625雙金屬?gòu)?fù)合管；焊縫擴(kuò)散層；顯微組織；元素?cái)U(kuò)散；硬度

Abstract:In order to study the double metal composite plate welded joint organization,the elements diffusion situation and its influence on mechanical properties,20/IN625 clad pipe were welded through two kinds of schemes.By optical microscope and scanning electron microscope(SEM)to analyze weld diffusion layer microstructure and distribution of alloy elements,and the hardness distribution near the diffusion layer meter was measured through microhardness tester.The results indicated the base layer weld microstructure mainly consisted of acicular ferrite,the weld microstructure of stainless steel layer and transition layer were austenite and a small amount of ferrite.Increasing the weld pass of transition layer can decrease the dilution quantity of Cr,Ni,Mo alloy elements of stainless steel weld pass,the interface of diffusion layer became foggy,and the hardness near the diffusion layer was reduced.The hardness of the diffusion layer was higher than the hardness near the diffusion layer in the two kinds of schemes.

Key words:20/IN625 double metal composite pipe;weld diffusion layer;microstructure;element migration;hardness

我國(guó)大部分油氣田逐漸進(jìn)入開采末期，油氣田的開采逐漸向深井、高腐蝕環(huán)境的方向發(fā)展，生產(chǎn)條件更加苛刻，油氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸量也逐步增多，對(duì)油氣管材的防腐性能有了更高的要求，傳統(tǒng)的碳鋼或低合金鋼難以在經(jīng)濟(jì)實(shí)用和力學(xué)性能可靠方面達(dá)到平衡[1]。雙金屬?gòu)?fù)合管是以碳鋼或低合金鋼為基材，在其內(nèi)表面以冶金或機(jī)械的方式覆襯一層耐蝕合金，具有優(yōu)異的耐蝕性和力學(xué)性能，在石油及天然氣、化學(xué)工程等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景[2-5]。

雙金屬?gòu)?fù)合管的研究及應(yīng)用主要集中在管接頭的焊接和表面防腐性能[6-9]。其中兩管對(duì)焊過程中焊縫元素?cái)U(kuò)散對(duì)復(fù)合管的焊接接頭力學(xué)性能以及耐蝕性能具有重要影響，需要采用合適的焊接工藝和焊材以防止基層金屬中Cr和Ni等合金元素含量的增加，因?yàn)镃r和Ni含量增加易導(dǎo)致在基層焊縫中形成硬脆組織，產(chǎn)生裂紋，影響焊縫強(qiáng)度；同時(shí)要避免覆層增碳，因?yàn)楦矊釉鎏紩?huì)大幅度降低焊縫的耐腐蝕性[10-12]。

本研究以20/IN625雙金屬?gòu)?fù)合管為研究對(duì)象，比較了兩種焊接方法對(duì)焊接接頭組織、元素?cái)U(kuò)散情況以及力學(xué)性能的影響，為雙金屬?gòu)?fù)合板的焊接提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為經(jīng)堆焊法得到的20/IN625鎳基雙金屬?gòu)?fù)合管，焊接試樣尺寸為Φ76 mm×（6+1）mm× 175 mm，基層金屬為20鋼，覆層金屬為IN625鎳基合金，其化學(xué)成分見表1。

表1 20/IN625復(fù)合板的化學(xué)成分

試驗(yàn)中采用兩種焊接方案，方案1采用鎢極氬弧焊（GTAW）打底，焊材為ERNiCrMo-3焊絲，然后直接采用手工電弧焊（SMAW）填充蓋面，焊材為E5015焊條；方案2在打底焊和填充蓋面焊接之間增加了一道過渡層焊接，焊材為ER309L焊絲。復(fù)合管的的焊接方案均采用V形坡口形式。焊接試驗(yàn)所用的焊材主要成分見表2，兩種焊接方案的坡口形式如圖1所示。

表2 試驗(yàn)用焊材的主要化學(xué)成分

圖1 兩種焊接方案坡口形式

焊后沿平行于復(fù)合管軸向焊接接頭處取規(guī)格為30 mm×15 mm×7 mm的試樣，用JXA-8230型電子探針分析ERNiCrMo-3/E5015和ER309L/ E5015擴(kuò)散層的成分變化。用4%硝酸酒精和FeCl3腐蝕液腐蝕焊接接頭，基體采用濃度4%的硝酸酒精輕微腐蝕，不銹鋼采用FeCl3做進(jìn)一步腐蝕，用MicroPhaseDCM200三維共聚焦顯微鏡觀察焊接接頭擴(kuò)散層的顯微組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)，焊接接頭顯微硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO6507-1標(biāo)線測(cè)量法，用HV-1000A型顯微維氏硬度測(cè)量?jī)x器測(cè)量試樣擴(kuò)散層附近的顯微硬度，載荷為200 g，加載時(shí)間為15 s，測(cè)量時(shí)沿?cái)U(kuò)散層兩側(cè)分別取點(diǎn)，其中測(cè)量時(shí)的點(diǎn)間距為0.2 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擴(kuò)散層金相組織分析

ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層及焊縫金相組織如圖2所示。圖2（a）是基層焊道采用E5015焊條的金相組織，其主要成分是針狀鐵素體，組織均勻呈等軸狀，晶粒尺寸比較小。針狀鐵素體能使焊縫具有較高的強(qiáng)度和韌性。基層焊道合金元素含量低，沿著晶界形成了大塊狀先共析鐵素體組織，屬于低屈服點(diǎn)的淬硬相，降低焊縫的韌性，受到拉力時(shí)容易在此處發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展，但是組織邊界的夾角比較大，這在一定的程度上可以抑制裂紋的擴(kuò)展。圖2（b）是覆層焊道采用ERNiCrMo-3焊絲的組織，晶粒為均勻的等軸奧氏體組織，晶界分布的δ鐵素體組織較少，說明焊接接頭在高溫下具有較好的耐蝕性能。圖2（c）ERNiCrMo-3/E5015界面出現(xiàn)明顯的擴(kuò)散層，靠近熔合線不銹鋼一側(cè)奧氏體組織出現(xiàn)細(xì)晶粒區(qū)，是因?yàn)楹蠛傅腅5015對(duì)ERNiCrMo-3焊道有退火作用，使其組織細(xì)化，耐腐蝕性能變好。在E5015熔合區(qū)組織形貌發(fā)生變化，生成組織粗大的板條馬氏體組織，提高了焊縫硬度，容易在此處生成裂紋。粗大馬氏體的形成主要是由于不銹鋼焊道的合金元素Cr、Ni等稀釋到碳鋼焊道，導(dǎo)致其合金元素含量增加。同時(shí)擴(kuò)散層附近出現(xiàn)了明顯的高碳黑色線，是碳鋼側(cè)脫碳形成的增碳層。

圖2 ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層及焊縫的金相組織

ER309L/E5015擴(kuò)散層及焊縫的金相組織如圖3所示。由圖3（a）可以看出，基層焊道組織與方案1組織相似，主要是針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體，但是先共析鐵素體數(shù)量明顯減少，尺寸變小，強(qiáng)度更高，韌性更好，具有更好的止裂性能。由圖3（b）可以看出，采用ER309L焊絲的過渡焊道主要為奧氏體上分布著鐵素體的雙相組織，從成分上分析，390L奧氏體鋼Cr含量高，屬于25-13不銹鋼焊材，Cr、Ni當(dāng)量高，且奧氏體中分布著少量鐵素體，對(duì)焊縫的抗裂能力有明顯的提高，而且具有良好的耐晶間腐蝕性能，是較好的異種鋼焊接的過渡層材料。圖3（c）表明，與ERNiCrMo-3/E5015明顯的擴(kuò)散層界面相比，309L/E5015擴(kuò)散層界面比較模糊，沒有出現(xiàn)明顯的脫碳層，存在一定的過渡區(qū)。擴(kuò)散層E5015側(cè)組織主要為下貝氏體組織，組織細(xì)小，裂紋不易擴(kuò)展，具有良好的強(qiáng)度和韌性，擴(kuò)散層ER309L側(cè)主要為奧氏體組織。

圖3 ER309L/E5015擴(kuò)散層及焊縫金相組織圖

2.2 擴(kuò)散層化學(xué)成分分析

對(duì)焊縫擴(kuò)散層附近的主要元素C、Fe、Cr、Ni和Mo進(jìn)行線掃描，掃描方向如圖1中紅色箭頭所示，起始位置均為蓋面焊層外邊緣，掃描結(jié)果如圖4和圖5所示。結(jié)果表明兩種焊接方案焊縫主要合金元素Cr、Ni和Mo均為三級(jí)階梯變化，合金元素在基層焊縫含量低，在過渡層和不銹鋼層含量比較高。方案1中未采用過渡層，合金元素在5 mm處發(fā)生陡增，說明不銹鋼焊道的合金元素大量稀釋到碳鋼焊道，易造成碳鋼焊道生成脆硬組織，產(chǎn)生裂紋，降低焊縫強(qiáng)度。方案2采用過渡層焊接，合金元素在掃描位置3～5.6 mm處出現(xiàn)微增，這是ER309L過渡層合金元素向碳鋼焊道稀釋的結(jié)果，在5.6 mm處發(fā)生合金元素的陡增，這是不銹鋼焊道導(dǎo)致的合金元素增加，說明過渡層焊道起到了良好的隔離作用，防止不銹鋼焊道的合金元素稀釋到碳鋼焊道，既保證了不銹鋼側(cè)的耐腐蝕性能，又保證了碳鋼側(cè)的強(qiáng)度和韌性。從基層焊道到不銹鋼焊道，C含量分布基本不變，曲線上出現(xiàn)的幾個(gè)高碳含量高峰，可能是C與合金元素形成的金屬化合物，這類碳化物可以阻礙碳鋼焊道的C向不銹鋼焊道擴(kuò)散，防止不銹鋼側(cè)焊縫耐蝕性能降低。

圖4 ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層化學(xué)成分分布圖

圖5 ER309L/E5015擴(kuò)散層化學(xué)成分分布圖

2.3 擴(kuò)散層硬度分析

沿焊縫縱向測(cè)量焊接接頭擴(kuò)散層附近的硬度，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，兩種方案焊縫擴(kuò)散層附近硬度的變化規(guī)律基本一致。最高硬度出現(xiàn)在擴(kuò)散層處，ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層硬度達(dá)到480HV0.2，ER309L/E5015擴(kuò)散層硬度達(dá)到430HV0.2，主要是由于擴(kuò)散層處組織與化學(xué)成分不均勻，ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層處生成馬氏體組織，造成其硬度較高，而組織細(xì)小是造成ER309L/E5015擴(kuò)散層硬度較高的主要原因。擴(kuò)散層兩側(cè)焊縫組織硬度變化不大，總體上基層焊道的硬度比不銹鋼焊道和過渡層焊道的硬度高，可能是靠近擴(kuò)散層處的合金元素稀釋到碳鋼層造成其組織細(xì)化，并且生成部分馬氏體。采用過渡層焊道的焊縫組織硬度變化幅度比不采用過渡層焊道的焊縫組織硬度變化幅度小，說明其力學(xué)性能比較穩(wěn)定，脆硬組織少，降低了裂紋擴(kuò)展的可能性。

圖6 擴(kuò)散層硬度分布圖

3 結(jié)論

（1）兩種焊接方案得到的基層焊縫顯微組織均為針狀鐵素體和先共析鐵素體，不銹鋼焊縫和過渡層焊縫均為奧氏體組織。但是增加過渡層焊道時(shí)獲得的ER309L/E5015擴(kuò)散層界面比較模糊，沒有出現(xiàn)明顯的脫碳層，而且擴(kuò)散層附近組織細(xì)小，沒有生成馬氏體脆硬組織，相比之下，無過渡層焊道時(shí)獲得的ERNiCrMo-3/E5015擴(kuò)散層出現(xiàn)明顯的脫碳層，而且擴(kuò)散層附近產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。

（2）擴(kuò)散層線掃描結(jié)果表明，未采用過渡層焊接時(shí)，焊縫過渡層附近出現(xiàn)明顯的合金元素稀釋，合金元素 Cr、Ni及Mo稀釋到基層焊道，有過渡層焊道時(shí)，合金元素稀釋明顯降低且平緩，保持了不銹鋼焊道的高合金含量。

（3）擴(kuò)散層附近硬度測(cè)試結(jié)果表明，擴(kuò)散層處的硬度最高，基層焊道組織硬度高于不銹鋼焊道和過渡層焊道，但是采用過渡層焊道的組織硬度變化幅度較小，力學(xué)性能較好。

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Analysis on Weld Diffusion Layer Microstructure and Elements of 20/IN625 Clad Pipe

ZHANG Xiazhou1，SI Yuanchun2，WANG Fenghui1
（1.Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China; 2.Xinjiang Tuha Oilfield Construction Co.,Ltd.,Shanshan 838202,Xinjiang,China）

TE973.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.002

2016-11-03

編輯：羅 剛

張俠洲（1991—），男，碩士，現(xiàn)在首鋼技術(shù)研究院主要從事金屬焊接性研究、焊接材料開發(fā)以及金屬腐蝕防護(hù)工作。