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摘 要： 通过对N08825+L415MS镍基复合管焊接性能分析，以及氩弧焊（GTAW）、等离子焊（PAW）和CMT焊接特性对比，提出了在复合管生产中采用CMT方式进行耐蚀层堆焊的思路，经焊接工艺评定试验，证明了该焊缝具有良好的耐蚀性能。将该工艺应用于产品生产，焊缝成形美观，焊接效率高，达到了预期效果。
关键词： CMT焊接 双金属复合管 镍基耐蚀合金
Abstract： By analyzing the welding performance of N08825+L415MS clad pipe， and comparing welding characteristics of GTAW， PAW and CMT， proposed the use of CMT overlay welding corrosion layer in clad pipe manufacture， the welding procedure qualification test proved the weld seam have fine corrosion resistance property. Apply this technology in manufacturing， will have fine appearance of welding seam and high welding efficiency， achieved the expected effect.
Key words： CMT Welding； Bimetal lined pipes； Nickel-based alloy
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）09-0292-02
引言
随着全球能源开采领域向海洋深处以及高含H2S、CO2、Cl-等强腐蚀介质油气田延伸，油气开发及输送条件更为复杂，对输送含腐蚀介质的管道性能要求也越来越高，使用传统单一的防腐技术及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。