提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法。

背景技术

为了迎合日益增长的能源需求，海洋石油开发正逐渐走向高难度的油气田开采活动中，同时也面对恶劣的开采环境，高腐蚀的油气组分，更深水域和更长的回接距离等挑战。因此，对于深水气田的开采，采用“不锈钢/碳钢”双金属复合管的方案是当下国内外研究的热门。机械结合型“不锈钢/碳钢”双金属复合管是通过燃爆法进行复合的一种层状双金属复合材料，复合管内层为316不锈钢材料，外层为Q235B碳钢材料，兼具了覆层不锈钢耐腐蚀的优点和基层碳钢价格低廉的优点，被大量用于海底油气输送管的直管段。由于海底环境条件复杂，在使用过程中该复合管会出现内侧不锈钢覆层起皱、鼓包，以及覆层和基层分离的现象。

针对上述问题，很多学者展开了大量研究。

许爱华等对西气东输用油气田双金属复合管施工和焊接技术采用特殊坡口形式、焊接工序等工艺方法，解决了焊接难题，如在基层焊接时加入了一块截面为等腰梯形的定位块，保证了坡口组对的间隙均匀性和根焊时不移位。

张万鹏等研究主体材料316/20g复合管采用焊条电弧焊打底、过渡(焊接材料为2.5mm的A042A焊条)和盖面的焊接工艺。研究了焊接接头的化学成分、金相组织耐蚀性等，结果表明过渡层焊缝的化学成分与316L母材相当，γ+δ双相组织，焊接接头的抗电化学腐蚀性能可满足焊接接头的应用要求。

纪永杰等针对0Cr18Ni9/Q235不锈钢复合板的焊接进行了焊缝跟踪技术研究，并采用图像处理法测定了在不同焊接工艺条件下接头熔合比的变化，结果表明，焊接接头的熔合比随电弧功率的增加不断增加，但是随焊接速度的变化不明显。此外，熔合比还与焊丝伸出长度成正比。

总体来说，双金属复合管的焊接工艺研究主要集中于复合管的对接接头的焊接，通常采用特殊坡口和过渡层焊缝来解决，采用的方法主要是电弧焊或气体保护焊的方法，对于通过激光焊来提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的研究甚少。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法，该方法能够通过激光焊和激光填丝焊直接高效的提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层的结合强度，并保证覆层一侧焊缝的耐腐蚀服役能力。

为达到上述目的，本发明所述的提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法包括以下步骤：

1)对机械结合型双金属复合管的内表面进行预处理；

2)在机械结合型双金属复合管的覆层表面进行激光搭接焊，并在机械结合型双金属复合管的内壁上形成横截面为酒杯状的焊缝；

3)采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝，完成机械结合型层状双金属复合管的搭接焊，其中，第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝的材质与机械结合型双金属复合管中覆层的材质相同，第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝完全覆盖步骤2)得到的横截面为酒杯状焊缝的表面。

机械结合型双金属复合管中的覆层与基层通过燃爆法或胀接法形成机械结合。

机械结合型双金属复合管中覆层的材质为双相不锈钢、301奥氏体不锈钢、302奥氏体不锈钢、303奥氏体不锈钢、304奥氏体不锈钢、309奥氏体不锈钢、316奥氏体不锈钢或321奥氏体不锈钢；机械结合型双金属复合管中基层的材质为碳钢或低合金钢。

机械结合型双金属复合管的内径大于等于300mm。

步骤1)的具体操作为：对机械结合型双金属复合管的内表面进行打磨，再用丙酮对机械结合型双金属复合管的内表面擦拭后吹干。

步骤3)中，在惰性气体保护的气氛中，采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝。

横截面为酒杯状的焊缝在机械结合型双金属复合管的基层中的熔化深度小于等于1mm；且横截面为酒杯状的焊缝在机械结合型双金属复合管的基层中融化区域的宽度为在机械结合型双金属复合管的覆层中融化区域宽度的25％-30％。

步骤3)中采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝的过程中，填丝焊成形焊缝熔深小于机械结合型双金属复合管中覆层的厚度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法在具体操作时，先在机械结合型双金属复合管的内壁上形成横截面为酒杯状的焊缝，然后采用激光填丝堆焊的方法在所述焊缝中依次堆焊形成第一道焊缝、第二道焊缝及第三道焊缝，相对于传统的电弧焊及气体保护焊，本发明采用激光填丝堆焊的方法具有成形焊缝窄、焊接热输入小及焊缝变形小的特点，同时实现覆层与基层的冶金结合，有效的防止机械结合型复合管服役中覆层起皱及鼓包问题，同时避免覆层与基层分离的问题，提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层的结合强度。同时焊缝的横截面为酒杯状结构，使下部基层的熔化量小于上部覆层的熔化量，从而使覆层熔化区的合金元素稀释程度低、耐腐蚀性能损失小，保证覆层侧焊缝具有足够的耐腐蚀服役能力。

附图说明

图1为本发明的焊接工艺示意图；

图2为本发明中机械结合型双金属复合管的示意图；

图3为本发明中激光填丝堆焊的方法的示意图；

图4为本发明中激光搭接焊接头横截面的形貌图；

图5为本发明中最终焊接接头横截面的形貌图；

图6为图5中A处的放大图；

图7为本发明中最终得到的焊接接头与不锈钢母材电化学腐蚀极化曲线图。

其中，1为覆层、2为基层、3为激光束、4为第一道焊缝、5为第二道焊缝、6为第三道焊缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的提高机械结合型双金属复合管中覆层与基层结合强度的方法包括以下步骤：

1)对机械结合型双金属复合管的内表面进行预处理；

2)在机械结合型双金属复合管的覆层1表面进行激光搭接焊，并在机械结合型双金属复合管的内壁上形成横截面为酒杯状的焊缝；

3)采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝4、第二道焊缝5及第三道焊缝6，完成机械结合型层状双金属复合管的搭接焊，其中，第一道焊缝4、第二道焊缝5及第三道焊缝6的材质与机械结合型双金属复合管中覆层1的材质相同，第一道焊缝4、第二道焊缝5及第三道焊缝6完全覆盖步骤2)得到的横截面为酒杯状焊缝的表面。

机械结合型双金属复合管中的覆层1与基层2通过燃爆法或胀接法形成机械结合。

机械结合型双金属复合管中覆层1的材质为双相不锈钢、301奥氏体不锈钢、302奥氏体不锈钢、303奥氏体不锈钢、304奥氏体不锈钢、309奥氏体不锈钢、316奥氏体不锈钢或321奥氏体不锈钢；机械结合型双金属复合管中基层2的材质为碳钢或低合金钢。

机械结合型双金属复合管的内径大于等于300mm。

步骤1)的具体操作为：对机械结合型双金属复合管的内表面进行打磨，再用丙酮对机械结合型双金属复合管的内表面擦拭后吹干。

步骤3)中，在惰性气体保护的气氛中，采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝4、第二道焊缝5及第三道焊缝6。

横截面为酒杯状的焊缝在机械结合型双金属复合管的基层2中的熔化深度小于等于1mm；且横截面为酒杯状的焊缝在机械结合型双金属复合管的基层2中融化区域的宽度为在机械结合型双金属复合管的覆层1中融化区域宽度的25％-30％。

步骤3)中采用激光填丝堆焊的方法在步骤2)得到的横截面为酒杯状的焊缝上依次堆焊形成第一道焊缝4、第二道焊缝5及第三道焊缝6的过程中，填丝焊成形焊缝熔深小于机械结合型双金属复合管中覆层1的厚度。

实施例一

在316/Q235B层状双金属复合管内侧覆层1表面进行激光搭接焊，以实现其覆层1和基层2之间的冶金结合。316/Q235B层状双金属复合管的尺寸为(8+1)mm，316不锈钢覆层1厚度为1mm，外侧的Q235B碳钢基层2厚度为8mm。表1为机械结合型316/Q235B层状双金属复合管化学成分表。

表1

对图2所示的双金属复合管工件进行取样，再对试样用砂纸打磨，并用丙酮清洗待焊接面，以除去金属表面氧化膜及油污，使其露出金属光泽。在316/Q235B双金属复合管内侧进行激光搭接焊，使用IPG YLS-4000型号光纤激光器以激光功率P为1kW、焊接速度v为0.5m/min、离焦量f为-2mm、激光束3倾斜角度α为0°的焊接参数对双金属复合管进行激光搭接焊，再在此焊缝的上表面以P为4kW、v为1.5m/min、f为15mm、送丝速度s为2.8m/min、激光束3倾斜角度α为10°、送丝角度β为30°的参数激光填316l不锈钢焊丝堆焊一层焊道，然后以相同工艺参数及焊丝继续在激光搭接焊缝的上表面堆焊两层不锈钢焊丝，使得三道堆焊焊缝完全覆盖搭接焊缝上表面，完成层状双金属复合管的冶金结合，焊接完成后如图1所示，表2为316l不锈钢焊丝的化学成分表。

表2

对316/Q235B搭接接头焊缝形貌、合金元素分布、剪切强度和耐腐蚀性能的观察与分析，评价发明内容的合理性和可行性。参考图4，从双金属复合管激光搭接焊接接头横截面形貌可以看出，基层2碳钢的熔化较少，覆层1不锈钢的熔化较多，形成了上宽下窄的酒杯状焊缝，复合管内侧覆层1的耐腐蚀性能损失小。

对激光搭接焊接接头进行剪切试验，利用万能力学试验机对试样进行压剪试验，测得该焊接接头实际剪切强度为1034.9MPa。图5为本发明在激光搭接焊的基础上进行激光填不锈钢丝焊接接头的横截面形貌。从图5及图6中可以看出，本发明得到的焊接接头中覆层1不锈钢一侧的成分与母材的化学成分差异较小，对于焊缝区域的耐腐蚀性能影响较小，表3为图6中各谱图位置处的成分。

表3

参考图7，对焊接接头进行电化学腐蚀试验，采用CorrTest电化学工作站及标准的三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Pt电极，采用质量分数为3.5％的NaCl溶液作为电解液，以10mV/s的扫描速率，在-2～2V的电位范围进行测试。通过对电流、电位的数据采集结果得：双金属复合管内侧覆层1不锈钢母材的自腐蚀电位为-0.5171V，自腐蚀电流密度为5.365×10^-6A/cm²。本发明最终得到的焊接接头的自腐蚀电位为-0.6368V，自腐蚀电流密度为1.173×10^-5A/cm²，可以看出通过激光搭接焊和激光填丝焊相结合的方式，在提高316/Q235B层状双金属复合管冶金结合强度的前提下，能满足其良好的耐腐蚀性能。