铜镍管焊接工艺研究

铜镍管焊接工艺研究

文俊峰王群

广东中远海运重工有限公司广东东莞523146

摘要：针对铜镍管材料焊接性能分析，结合工艺试验，制定出焊接工艺以满足船舶建造中铜镍管的焊接要求。本文介绍了铜镍管焊接过程控制及保护措施。

关键词：铜镍合金；CuNi10Fe1.6Mn；焊接工艺试验

1.前言

铜镍合金管具有良好的力学性能和抗海水腐蚀性能，广泛应用于船舶海水冷却管系中。铜镍合金管的应用既可减小管壁厚和管子质量，又可延长其使用寿命。我司的牲口船及海洋平台辅助供应船项目都有用到铜镍管。作为新材料的应用，需对其焊接性能进行研究，并进行试验以证明焊接接头的可靠性。

2.铜镍合金的理化性能及焊接性

2.1铜镍合金的理化性能

铜镍合金可形成完全无限固溶体，具有单一的α相，因此具有良好的塑性，易于冷热加工。铜镍合金的导热性与低碳钢相似，导热率约为纯铜的8%。铜镍合金的线膨胀系数介于钢和黄铜之间，与奥氏体不锈钢相近。由于铜的热力学稳定性高，铜离子化可能，材料表面在海水中能形成氧化亚铜保护膜，因而铜镍合金具有良好的耐海水腐蚀性能。

2.2铜镍合金的焊接性

铜镍合金的导热性与低碳钢相似，导热率约为纯铜的8%，因此不必像纯铜一样进行高温、大功率焊前预热；铜镍合金对硫、磷等杂质很敏感，且铜元素易形成低熔点共晶易在晶界析出，因此易导致热裂纹的产生；铜镍合金在高温液态下氢的溶解度较大，过剩的氢来不及溢出就会产生气孔；由于铜镍合金无同素异构转变，在液态相转变为α相时易产生大量的柱状晶，导致接头塑性、韧性下降。宜采用适当的工艺方法进行减少柱状晶，细化晶粒。因此，铜镍管相对普通碳钢的焊接性能较差，需要采取合适的焊接方法和相应的工艺措施才能保证焊接质量。

3.焊接工艺试验

3.1焊接方法及焊材

GTAW（钨极氩弧焊）具有电弧稳定，能量集中、保护效果好、操作灵活的优点，适合铜及其合金的焊接，因此本焊接工艺试验采用GTAW焊接方法。因适量的镍元素可强化焊缝金属，并可改善其抗腐蚀性能，尤其是抗海水腐蚀的性能，同时还可提高焊缝金属的塑性，因此我们选用含镍量约30%的S-CuNi30焊丝（直径为φ2.0）作为填充金属。母材和焊材的化学成分及力学性能见表1、表2。

表1母材及焊材化学成分（质量分数）（%）

3.2焊接准备及坡口形式

试验采用6G位置（试管轴线位置与水平面成45°角）。采用机械加工坡口，坡口形式及尺寸见图1。焊前用不锈钢钢丝刷将坡口周围20mm范围内打磨出金属光泽，定位焊不要过于靠近根部，近表面即可，焊接时将其打磨干净。使用铝箔胶带将管子两头封闭，一头插入软管通入氩气进行保护，另外一头保留一个排气小孔。

图1坡口形式及尺寸

3.3焊接要求及工艺参数

采用纯度为99.9%的氩气作为保护气体，钨极气体流量为12~15L/min，管子内部气体流量为8~10L/min.起弧时，焊枪到焊接位置时，焊嘴提前送气保护，熄弧时，停留一定时间，让保护气体成分保护焊接区域，再移开焊枪。再次焊接时，注意将焊丝端部氧化物清理干净。焊接时，滞后气体，焊枪应尽量小幅摆动，同时压低电弧，防止空气侵入。铝箔胶带一边焊一边揭开，揭开长度约30~40mm。打底焊完成后，应使用钢丝刷刷掉表面氧化部分。层间温度控制在150℃以下，盖面时管子内部仍需通入氩气，以保证焊缝不被氧化。主要焊接工艺参数见下面表3。

表3焊接工艺参数

采用以上工艺参数以及操作方法，焊缝内、外表面成型优良。焊接熔敷顺序及效果见图2和图3.

图3焊缝外观效果

3.4力学性能试验

根据船级社规范，焊接工艺试验焊缝无损检测需进行100%渗透检验和100%拍片检验，所有焊缝无损检测结果均合格。对焊接接头进行了拉伸、弯曲试验，试验结果完全符合要求。

4.制作过程控制

4.1切割下料

铜镍管的切割和坡口加工可以采用机加工、等离子切割以及砂轮切割。切口必须修整光顺，并清除毛刺。

4.2场地及环境要求

制造场地应铺设橡胶板或者木板，以免碰伤、擦伤铜材表面，不应与碳钢件混放。铜镍合金的焊接应在空气洁净、无污染的专门隔离的区域中进行。不得直接在碳钢焊接车间内焊接，避免铁、碳离子污染。

4.3焊接过程控制

焊接前在焊件坡口及其两侧各20mm宽度的内外表面清除氧化膜，用丙酮等有机溶剂清洗去除油脂、水分及其他污染物。清理工具应专用并保持清洁。焊丝的存储库应保持干燥，相对湿度不得大于60%，焊丝表面应将油污、水、氧化膜及其他赃物清理干净。焊接作业要在氩气保护下进行，焊缝正面由焊枪喷嘴的气体保护，背面也要充氩气保护焊缝背面。焊接时应采用小幅摆动焊接，以达到最好的焊接熔合。焊接过程中填充焊丝的加热端应始终处于氩气的保护之下，熄弧后焊丝不得立即暴露在空气中，污染部分应予以切除。严格按照焊接工艺参数施焊。

4.4铜镍管的安装保护

铜镍合金管质地比较软，在安装时应特别仔细、小心，严禁乱扔，防止管子变形或损坏。管子在分段预装结束、进行喷砂处理之前，应进行良好的保护，以免钢砂损坏管子海水冷却系统管路安装完全结束后也要注意保护，以免在机舱内进行焊接、切割等交叉作业时损坏管子。铜镍管应采用三防布包裹后，再使用铅丝或塑料带包扎，待舱室内所有工种施工完成后再拆除所有防护。

5.结束语

采用上述焊接工艺及控制措施，我司在管加工车间内焊接生产的铜镍合金管焊接质量得到保证，焊缝外观成型良好，拍片质量满足规范要求。铜镍合金管目前已越来越广泛的应用于船舶及海工产品的海水冷却管等系统中。本次铜镍管的焊接工艺研究丰富了我司的特种焊接工艺的种类，也为我司后续项目的铜镍管焊接提供技术及人员积累。