許小波，李華山，佟 彤，張念濤，孫金麗，邢攸為

（海洋石油工程股份有限公司特種設備公司，天津300452）

X65鋼管內壁堆焊鎳基合金的工藝探索

許小波，李華山，佟 彤，張念濤，孫金麗，邢攸為

（海洋石油工程股份有限公司特種設備公司，天津300452）

為了探索采用熱絲TIG堆焊方法在X65鋼管內壁堆焊Incoloy825的焊接工藝，系統(tǒng)地研究并分析了焊接過程中所產生的弧坑、下淌、氧化、鎢極燒損、鎢極粘有異物、焊絲指向性不好、熔池邊緣有紅色氧化物等堆焊過程所產生的問題。研究結果表明，鎢極角度和氬氣流量均不能過多，否則焊接過程中會卷入空氣，導致焊縫氧化；送絲管的清理以及送絲位置對焊縫成形有較大影響；另外，由于焊接過程中的熱積累效應會使焊道氧化，嚴重時會影響焊縫成形。

焊接；熱絲TIG；鎳基合金；堆焊工藝

傳統(tǒng)的TIG堆焊由于其電極載流能力有限、電弧功率受到限制而使焊縫熔深淺，焊接速度慢，焊接效率低。采用TIG堆焊焊接中厚板時，需要開坡口甚至要多層焊接，因此使用范圍受到限制。熱絲TIG堆焊是在傳統(tǒng)TIG堆焊基礎上發(fā)展起來的，其基本原理是在焊絲送進熔池之前就對焊絲進行加熱[1-4]。采用熱絲TIG堆焊，一方面可以提高焊接熱輸入，實現高熔敷速度，提高焊接速度；另一方面，預熱可以凈化焊絲表面的氧化膜及油污，從而得到質量更好的焊縫[5-6]。

目前，熱絲TIG堆焊廣泛應用于海洋石油管道等工程。由于油氣開發(fā)及輸送條件極為復雜，對輸送含腐蝕介質的管道性能要求也越來越高[7]。本試驗是在X65管內壁堆焊鎳基合金Incoloy825，這種管材基層有足夠的強度，復合層Incoloy825有較強的抗應力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕能力，且力學性能和加工性能良好。但由于Incoloy825合金與X65鋼在化學和物理性能上存在較大的差異，而且Incoloy825熱導性差，焊接熱量不易擴散，容易造成晶粒粗大，產生晶間裂紋[8]。因此，有必要對耐腐蝕合金復合管的焊接工藝進行研究。

1 試驗材料、設備及方法

試驗用管基體是內徑288 mm、壁厚20 mm、長度450 mm的X65鋼管，在焊前除去鐵銹和麻坑，然后用丙酮擦拭磨刷待焊部位，最后吹干。焊絲直徑1.2 mm，材質Incoloy825。母材和焊絲的化學成分見表1。

本試驗采用配備了熱絲電源的閥門內壁自動堆焊機。由于堆焊的兩個基本要求是高熔敷率和低稀釋率[9-10]，利用熱絲TIG堆焊不僅可以提高焊接效率，而且可以明顯降低母材的稀釋率，滿足堆焊的要求。

表1 母材及焊絲的化學成分 %

2 工藝缺陷及成因分析

2.1 焊縫下垂及表面氧化

在探究使焊縫成型良好的最佳焊接參數過程中發(fā)現，在較小焊接電流下，有時也會產生焊道上端母材過燒甚至產生弧坑，致使焊道下淌導致成型不良的情況，而且最后一道焊縫上還可能出現黃色氧化物。焊縫成形不良的實物照片如圖1所示。分析原因：①可能是鎢極角度太大，氣流向下卷入了空氣，使熔池發(fā)生了氧化反應，由于氧化反應是放熱反應，相當于增加了焊接熱輸入，致使鐵水下淌，焊道上部電弧就只加熱母材而沒有焊絲填入以致產生弧坑；②可能由于氬氣流量過大，致使工件上的氣體上卷，而卷入了空氣；③可能由于管內壁鐵銹沒有去除干凈，導致表面氧化嚴重。

圖1 焊縫成形不良的實物照片

2.2 熔融焊絲污染鎢極

在調整送絲位置時發(fā)現，由于送絲位置離鎢極較近而產生沾鎢現象。如果還采用燒損后的鎢極來焊接，就會使焊道表面發(fā)黑且變窄，這是由于鎢極燒損后導致電弧形態(tài)改變，保護效果不好而造成。燒損的鎢極及用該鎢極所焊焊件如圖2所示。

圖2 燒損的鎢極及用該鎢極所焊焊件照片

另外，分析了焊絲端部與鎢極端部在平行于焊槍所在的平面內，鎢極與焊絲端部距離與送絲速度之間的關系，如圖3所示。

圖3 鎢極與焊絲端部距離與送絲速度的關系

從圖3可以看出，在一定范圍內隨著鎢極與焊絲端部距離的增大，送絲速度幾乎呈線性下降。這是由于弧柱中心的位置溫度最高，而越靠近鐘罩型的邊緣溫度越低，當焊絲送進位置越靠近鎢極，所獲得熱量越多，熔化速度越快，反之越慢。但是這只是在一定范圍內有效，當鎢極與焊絲端部距離過大或過小，都會造成焊絲不熔化或沾鎢的現象，所以在試驗過程中，調節(jié)焊絲的送進位置很重要。

2.3 送絲不穩(wěn)定

在試驗過程中還發(fā)現，焊接時偶爾會有停止送絲的情況發(fā)生，且停止時間很短，然后又會自動恢復送絲；有時焊絲還會偏離原來設定的方向伸入熔池的下方，導致焊絲來不及熔化，然后又會自動恢復到原來的送絲位置，這樣未熔化焊絲就直接掉落或者粘到管壁內側，如圖4所示。

圖4 粘在管壁上的焊絲

分析送絲機構后發(fā)現，由于送絲管長期處于焊接狀態(tài)，導致管口積累灰塵而被堵塞。送絲有阻力時，焊絲會呈S形，這樣焊絲指向就會改變，原理如圖5所示。

圖5 送絲管阻塞示意圖

2.4 鎢極氧化

在一個清洗好的管內壁堆焊，堆焊到第九層時電弧形態(tài)就會發(fā)生變化，導致焊縫成形不良。仔細觀察，是由于鎢極端部粘有異物所致，如圖6所示。分析原因：①管子沒有徹底清洗干凈，內壁還有鐵銹存在，所以焊接過程中熔池邊緣有紅色氧化物產生；②焊接過程中熱積累增多，相當于增加了焊接熱輸入，使金屬流動性變大，因而出現焊縫下淌現象，造成焊縫成形不良。

圖6 鎢極表面粘有異物

針對焊接過程中的熱積累，在連續(xù)堆焊時對層間溫度進行了實時監(jiān)測，結果見表2。由表2可知，從開始焊接時，層間溫度逐漸升高，開始升高較快，后來變慢，最后趨于穩(wěn)定。另外，當溫度低于200℃時，觀察到熱絲電流不穩(wěn)定（20～30 A），送絲速度也不穩(wěn)定；當溫度超過200℃時，熱絲電流和送絲速度都趨于穩(wěn)定，這是由于熱積累所致。

表2 熱絲TIG堆焊道間溫度

3 優(yōu)選焊接參數

試驗過程中可能存在的問題：①鎢極角度略大，導致焊縫上端產生弧坑，并卷入空氣；②氬氣流量過大，可能卷入空氣，造成氧化；③管內壁沒有清洗干凈造成鎢極沾污、熔池邊緣有氧化物形成；④卷入空氣和熱積累效應使金屬流動性增加，焊縫下淌；⑤送絲位置不對，造成鎢極燒損，焊道變窄且發(fā)黑；⑥送絲管堵塞，造成焊絲送絲受阻，指向性不好。在明確并解決了上述問題后，得到了成形較好的優(yōu)化參數。

優(yōu)化試驗參數分別為：焊接速度260 mm/min，平均電流195A，送絲速度2.3mm/min，焊道間距3.5 mm，頻率2 Hz，鎢極伸出長度8 mm，熱絲電流50 A，Ar流量20 mL/min。在上述條件下進行熱絲TIG堆焊，焊件實物照片如圖7所示。

圖7 最優(yōu)參數下的焊縫成形

從圖7可以看出，焊縫顏色光亮，表面氧化較少，焊縫成形均勻，沒有下淌現象。

采用熱絲TIG堆焊方法在X65管內壁堆焊Incoloy825時，由于TIG堆焊對母材表面鐵銹等雜質比較敏感，試件表面要求嚴格，在焊前務必處理干凈，并在焊接過程中做好降溫工作，控制好層間溫度，以得到理想的焊縫。

4 結 語

采用熱絲TIG堆焊方法在X65管內壁堆焊Incoloy825時，如果操作方法或參數選擇不當，會產生弧坑、下淌、氧化、鎢極燒損、鎢極沾有異物、焊絲指向性不好等問題。分析并找出產生這些問題的原因，得到優(yōu)選的焊接參數，并用該組參數進行焊接試驗，得到的產品合格。

［1］肖笑，陳克選，宋聚海，等.單電源脈沖熱絲TIG焊的研究[J].電焊機， 2009， 39（6）：38-41.

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［10］王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業(yè)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

許小波（1981—），男，碩士學位，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學（北京），現主要從事海洋鋼結構、壓力容器、水下結構物的焊接、防腐工作。

2015-06-24

修改稿收稿日期：2015-09-14

謝淑霞