X65钢管内壁堆焊镍基合金的工艺探索

许小波，李华山，佟 彤，张念涛，孙金丽，邢攸为

（海洋石油工程股份有限公司特种设备公司，天津300452）

X65钢管内壁堆焊镍基合金的工艺探索

许小波，李华山，佟 彤，张念涛，孙金丽，邢攸为

（海洋石油工程股份有限公司特种设备公司，天津300452）

为了探索采用热丝TIG堆焊方法在X65钢管内壁堆焊Incoloy825的焊接工艺，系统地研究并分析了焊接过程中所产生的弧坑、下淌、氧化、钨极烧损、钨极粘有异物、焊丝指向性不好、熔池边缘有红色氧化物等堆焊过程所产生的问题。研究结果表明，钨极角度和氩气流量均不能过多，否则焊接过程中会卷入空气，导致焊缝氧化；送丝管的清理以及送丝位置对焊缝成形有较大影响；另外，由于焊接过程中的热积累效应会使焊道氧化，严重时会影响焊缝成形。

焊接；热丝TIG；镍基合金；堆焊工艺

传统的TIG堆焊由于其电极载流能力有限、电弧功率受到限制而使焊缝熔深浅，焊接速度慢，焊接效率低。采用TIG堆焊焊接中厚板时，需要开坡口甚至要多层焊接，因此使用范围受到限制。热丝TIG堆焊是在传统TIG堆焊基础上发展起来的，其基本原理是在焊丝送进熔池之前就对焊丝进行加热[1-4]。采用热丝TIG堆焊，一方面可以提高焊接热输入，实现高熔敷速度，提高焊接速度；另一方面，预热可以净化焊丝表面的氧化膜及油污，从而得到质量更好的焊缝[5-6]。

目前，热丝TIG堆焊广泛应用于海洋石油管道等工程。由于油气开发及输送条件极为复杂，对输送含腐蚀介质的管道性能要求也越来越高[7]。本试验是在X65管内壁堆焊镍基合金Incoloy825，这种管材基层有足够的强度，复合层Incoloy825有较强的抗应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀能力，且力学性能和加工性能良好。但由于Incoloy825合金与X65钢在化学和物理性能上存在较大的差异，而且Incoloy825热导性差，焊接热量不易扩散，容易造成晶粒粗大，产生晶间裂纹[8]。因此，有必要对耐腐蚀合金复合管的焊接工艺进行研究。

1 试验材料、设备及方法

试验用管基体是内径288 mm、壁厚20 mm、长度450 mm的X65钢管，在焊前除去铁锈和麻坑，然后用丙酮擦拭磨刷待焊部位，最后吹干。焊丝直径1.2 mm，材质Incoloy825。母材和焊丝的化学成分见表1。

本试验采用配备了热丝电源的阀门内壁自动堆焊机。由于堆焊的两个基本要求是高熔敷率和低稀释率[9-10]，利用热丝TIG堆焊不仅可以提高焊接效率，而且可以明显降低母材的稀释率，满足堆焊的要求。

表1 母材及焊丝的化学成分 %

2 工艺缺陷及成因分析

2.1 焊缝下垂及表面氧化

在探究使焊缝成型良好的最佳焊接参数过程中发现，在较小焊接电流下，有时也会产生焊道上端母材过烧甚至产生弧坑，致使焊道下淌导致成型不良的情况，而且最后一道焊缝上还可能出现黄色氧化物。焊缝成形不良的实物照片如图1所示。分析原因：①可能是钨极角度太大，气流向下卷入了空气，使熔池发生了氧化反应，由于氧化反应是放热反应，相当于增加了焊接热输入，致使铁水下淌，焊道上部电弧就只加热母材而没有焊丝填入以致产生弧坑；②可能由于氩气流量过大，致使工件上的气体上卷，而卷入了空气；③可能由于管内壁铁锈没有去除干净，导致表面氧化严重。

图1 焊缝成形不良的实物照片

2.2 熔融焊丝污染钨极

在调整送丝位置时发现，由于送丝位置离钨极较近而产生沾钨现象。如果还采用烧损后的钨极来焊接，就会使焊道表面发黑且变窄，这是由于钨极烧损后导致电弧形态改变，保护效果不好而造成。烧损的钨极及用该钨极所焊焊件如图2所示。

图2 烧损的钨极及用该钨极所焊焊件照片

另外，分析了焊丝端部与钨极端部在平行于焊枪所在的平面内，钨极与焊丝端部距离与送丝速度之间的关系，如图3所示。

图3 钨极与焊丝端部距离与送丝速度的关系

从图3可以看出，在一定范围内随着钨极与焊丝端部距离的增大，送丝速度几乎呈线性下降。这是由于弧柱中心的位置温度最高，而越靠近钟罩型的边缘温度越低，当焊丝送进位置越靠近钨极，所获得热量越多，熔化速度越快，反之越慢。但是这只是在一定范围内有效，当钨极与焊丝端部距离过大或过小，都会造成焊丝不熔化或沾钨的现象，所以在试验过程中，调节焊丝的送进位置很重要。

2.3 送丝不稳定

在试验过程中还发现，焊接时偶尔会有停止送丝的情况发生，且停止时间很短，然后又会自动恢复送丝；有时焊丝还会偏离原来设定的方向伸入熔池的下方，导致焊丝来不及熔化，然后又会自动恢复到原来的送丝位置，这样未熔化焊丝就直接掉落或者粘到管壁内侧，如图4所示。

图4 粘在管壁上的焊丝

分析送丝机构后发现，由于送丝管长期处于焊接状态，导致管口积累灰尘而被堵塞。送丝有阻力时，焊丝会呈S形，这样焊丝指向就会改变，原理如图5所示。

图5 送丝管阻塞示意图

2.4 钨极氧化

在一个清洗好的管内壁堆焊，堆焊到第九层时电弧形态就会发生变化，导致焊缝成形不良。仔细观察，是由于钨极端部粘有异物所致，如图6所示。分析原因：①管子没有彻底清洗干净，内壁还有铁锈存在，所以焊接过程中熔池边缘有红色氧化物产生；②焊接过程中热积累增多，相当于增加了焊接热输入，使金属流动性变大，因而出现焊缝下淌现象，造成焊缝成形不良。

图6 钨极表面粘有异物

针对焊接过程中的热积累，在连续堆焊时对层间温度进行了实时监测，结果见表2。由表2可知，从开始焊接时，层间温度逐渐升高，开始升高较快，后来变慢，最后趋于稳定。另外，当温度低于200℃时，观察到热丝电流不稳定（20～30 A），送丝速度也不稳定；当温度超过200℃时，热丝电流和送丝速度都趋于稳定，这是由于热积累所致。

表2 热丝TIG堆焊道间温度

3 优选焊接参数

试验过程中可能存在的问题：①钨极角度略大，导致焊缝上端产生弧坑，并卷入空气；②氩气流量过大，可能卷入空气，造成氧化；③管内壁没有清洗干净造成钨极沾污、熔池边缘有氧化物形成；④卷入空气和热积累效应使金属流动性增加，焊缝下淌；⑤送丝位置不对，造成钨极烧损，焊道变窄且发黑；⑥送丝管堵塞，造成焊丝送丝受阻，指向性不好。在明确并解决了上述问题后，得到了成形较好的优化参数。

优化试验参数分别为：焊接速度260 mm/min，平均电流195A，送丝速度2.3mm/min，焊道间距3.5 mm，频率2 Hz，钨极伸出长度8 mm，热丝电流50 A，Ar流量20 mL/min。在上述条件下进行热丝TIG堆焊，焊件实物照片如图7所示。

图7 最优参数下的焊缝成形

从图7可以看出，焊缝颜色光亮，表面氧化较少，焊缝成形均匀，没有下淌现象。

采用热丝TIG堆焊方法在X65管内壁堆焊Incoloy825时，由于TIG堆焊对母材表面铁锈等杂质比较敏感，试件表面要求严格，在焊前务必处理干净，并在焊接过程中做好降温工作，控制好层间温度，以得到理想的焊缝。

4 结 语

采用热丝TIG堆焊方法在X65管内壁堆焊Incoloy825时，如果操作方法或参数选择不当，会产生弧坑、下淌、氧化、钨极烧损、钨极沾有异物、焊丝指向性不好等问题。分析并找出产生这些问题的原因，得到优选的焊接参数，并用该组参数进行焊接试验，得到的产品合格。

［1］肖笑，陈克选，宋聚海，等.单电源脉冲热丝TIG焊的研究[J].电焊机， 2009， 39（6）：38-41.

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［5］王陆钊.热丝TIG焊的工艺及性能研究[D].江苏：江苏科技大学，2010.

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［8］张丽娜，董建新，张麦仓，等.油井管用铁镍基耐蚀合金研究[J].世界钢铁， 2013， 13（1）：54-63.

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［10］王宗杰.熔焊方法及设备[M].北京：机械工业出版社，2012.

Technology Exploration of Nickel-based Alloy Surfacing in X65 Grade Steel Pipe Inner Wall

XU Xiaobo,LI Huashan,TONG Tong,ZHANG Niantao,SUN Jinli,XING Youwei
（Special Equipment Company,Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China）

In order to explore welding technology of adopting hot wire TIG surfacing to conduct Incoloy825 surfacing in X65 grade steel pipe inner wall,it systematically researched and analyzed some problems occurred in surfacing process,such as crater,drip,oxidation,tungsten electrode burning,tungsten electrode with foreign body,welding wire directivity is bad,red oxide exist in molten pool edge and so on.The results indicated that the angle of tungsten electrode and argon gas flow are not too much,otherwise the weld will be oxidized by involved in air oxidation during welding process;wire feeding tube cleaning and wire feeding position greatly affect weld forming.In addition,the heat accumulation effect can make weld pass oxidation during welding process，it will affect weld forming in severe case.

welding;hot wire TIG;nickel-based alloy;surfacing technology

TG455

B

1001－3938（2015）10-0032-04

许小波（1981—），男，硕士学位，工程师，2008年毕业于中国石油大学（北京），现主要从事海洋钢结构、压力容器、水下结构物的焊接、防腐工作。

2015-06-24

修改稿收稿日期：2015-09-14

谢淑霞