铜镍合金焊接工艺的开发与应用

铜镍合金焊接工艺的开发与应用

李永

关键词：铜镍合金；焊接工艺；氩弧焊；应用；质量控制

1前言

铜镍合金（UNSC70600）具有独特的物理化学和耐蚀性能，同时又具有良好的高温力学性能。近年来在石油、化工、船舶等领域过程设备、管道中的应用日渐增多。但由于其特性所决定，在加工制造焊接过程中必须采取一些特殊的措施方能保证施工质量。在沙特哈维亚天然气该扩建工程中我们首次接触到这种材料，经过多次查阅资料后，完成了焊接工艺评定并成功的运用到工程中。下面通过在该工程的施工实践，对UNSC70600合金管道的焊接应用进行归纳总结。

2铜镍合金的材料特性

ASTMB466UNSC70600合金以Ni为主加元素的铜合金(俗称Cu-Ni合金)，以其优良的机械性能和抗海水腐蚀性能被广泛应用于高压和高温等条件下。此合金是一种固溶体单项合金，不含其它有害的杂质金相，故此在加热和冷却的过程中不会产生金相的转变。

3铜镍合金的焊接性能分析

随着Ni元素的加入，Cu-Ni合金的力学性能和抗腐蚀性能显著改善，同时也使Cu-Ni合金的导热率和导电率下降，有资料表明，Cu-Ni合金的导热性与低碳钢相近，因此，该合金焊接时不要求预热；液态的Cu-Ni合金具有良好的流动性，故宜在上坡及平焊位置施焊，以避免仰焊与下坡焊时熔池下淌；其线胀系数和收缩率均较大，自由焊接易产生较大的焊接变形。为减少变形，需注意线能量和热能的分布；铜的氧化随温度升高而加剧，高温时铜在液态中易氧化成Cu２O并熔解在铜液中，结晶时，生成Cu＋Cu２O的低熔共晶体析集在铜的晶界上，大大降低焊接接头的机械性能。

4铜镍合金的工艺性能分析

此合金是一种固溶体单项合金，线膨胀系数较大，在焊接时易出现如下缺陷：气孔、焊接热裂纹、未熔合、焊接变形大等缺陷。

4.1焊缝气孔

O2、H2、CO2在液态Cu-Ni合金中溶解度较大，但在冷却时溶解度急剧减小。在焊缝冷却过程中，熔池中的游离气体在液态金属中来不及逸出，残留在焊缝中形成气孔。因此在焊接过程中，要对焊接区域进行有效地保护，防止不良气体进入到熔池；保持适当的焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度），保证焊接熔池一定的冷却时间，利于焊缝中气体的逸出；焊接前须对焊件清理，防止油污、水份及氧化层等存留在焊接区域，焊材须按要求进行烘烤，杜绝焊接污染物的进入，以减少熔池中气体的产生。

4.2焊接热裂纹

为了防止焊接热裂纹产生，应针对裂纹产生的原因采取对应的措施。在组对时不能强力组对，尽量减小焊接残余应力的产生；采用多层多道焊，每层或每道的焊接过程都相当于对前一层或前一道道进行一次回火，有助于消除焊接残余应力。采用短弧不摆动的操作方法，在保持电弧电压稳定的同时尽量采用小焊接规范（即较小的线能量），焊接收弧时应将弧坑填满，防止弧坑裂纹或缩孔的产生

5焊接工艺的开发

5.1焊接设备

设备应采用直流氩弧焊机且应附有高频引弧和电流衰减装置、预热功能、提前送气和延迟断气功能。目前国内普遍使用的设备有山东奥太、北京时代、成都匹克、上海威特利焊机WS-400和近来的松下数字焊机。采用直流正接，钨极发射电子能力强，电弧稳定，烧损少，钨极需要电流大，以保持足够的熔深。并保证焊接起弧和收弧的质量，同时也减少因使用普通焊机引弧时划弧或擦弧带来的夹钨缺陷和电流衰减熄弧时的缩孔缺陷，这些功能（提前送气和延迟断气功能）可以在焊接过程中使熔池始终处于气体保护中。

5.2焊接方法

手工钨极氩弧焊是用于铜镍合金（UNSC70600）合金焊接较为理想的焊接方法。从前面的焊接性能可知：液态的Cu-Ni合金具有良好的流动性，所以我们采用手工钨极氩弧焊短弧不摆动技术。

选用较大直径的焊枪气体保护喷嘴，对熔池金属及热影响区有足够的气体保护面积。钨极伸出喷嘴长度一般为5-10mm为宜。在焊接过程中掌握良好的运弧技巧，避免太快造成熔合不良和气体保护跟不上，太慢则会造成根部焊缝过烧。收弧时须采取多次填充的方法均匀填满弧坑，不得使弧坑出现凹陷。

5.3焊接材料

因Cu-Ni合金存在以下共性：难熔性及易变性，焊缝及热影响区热裂纹倾向大，气孔倾向严重。为了预防气孔和裂纹的产生，即使焊接刚性较小的薄板，也要求采用加丝来控制熔池的脱氧反应。为了保证焊接质量，防止焊接时Cu-Ni合金被氧化，生成气孔等焊接缺陷，要求氩气纯度大于等于99.99%，露点-50以下，氧气和水分的含量不超过5ppm。在焊接前应预先试验一下氩气的纯度，比如在试件上试焊几道，再用砂轮打磨看看焊缝内部质量，确认合格后方可使用。采用铈钨极直径φ1.6～φ2.4mm，端部应磨成300尖角，电极端伸出喷嘴5～10mm，且电极为焊接表面之间的夹角应为750。

5.4工艺试件的焊接与检验

铜镍合金（UNSC70600）合金的可焊性较好，可适用于手工钨极氩弧焊、手工焊条电弧焊等，根据阿美规范要求并结合本工程实际材料规格（φ60.3*3.96mm，φ88.9*5.56mm），选取合金管材规格φ88.9*5.56mm，焊接方法为手工钨极氩弧焊。

6焊接工艺的应用

6.1施工环境及管材的清洁

通过对铜镍合金（UNSC70600）工艺性分析，施工环境及管材的清洁是获得焊接成功的最重要的因素之一。通常该合金的制造加工需要专门的制造场地，在现场施工中，难以达到专用制作场地的条件。但在施工中必须采取特殊措施保证施工过程不受外界环境的污染。

6.2充气保护装置

u-Ni合金管氩弧焊时背面区域至少150-200mm范围内也要充氩气保护，不然背面焊缝表面会氧化发黑并“开花”，氩气纯度为99.99%，焊接时氩气流速8-14L/min。在焊接过程中管内须不间断进行充氩保护，对于短管焊接，可采用耐温透明胶带封堵管口；对管道连头焊接，可采用水溶纸管内封堵的方法；焊接较长管段时，应制作充氩装置进行封堵，充氩气体流速可用手背靠近焊接坡口起焊处外溢气体，感觉稍有微风即可。可以在管子的两端做两块封板：一块上面焊一根束接接上氩气皮带作为进气端，一块上面打一个约5mm的孔作为出气孔，所有焊缝上都用阔胶带或铝箔纸包起来不使漏气。开始焊接前先要通氩气一段时间，使管内原来的空气都被赶走（可采用专用测氧仪测量）,以确保背部保护效果，然后才能焊接，焊接时撕掉一段时间，使管内O2%≤0.05%时，方能施焊。在实际施工中，若管内充氩保护不良，会出现管内局部焊缝金属呈渣状或“开花”，射线检测结果为根部气孔缺陷。可见管内氩气保护极为重要。

6.3坡口的准备

Cu-Ni合金切割不能采用氧-乙炔火焰切割，应采用机械加工方法或等离子进行切割。切割后断面加工用0#-1#非铁砂皮打磨边缘50mm处，并去除坡口两侧的毛刺和氧化层杂质，直至露出金属光泽。坡口角度为60°-70°，坡口钝边控制在1-2mm。且制备好的坡口应用塑料管帽封好，以防坡口损坏。

6.4焊接工艺要点

（1）定位焊缝高度和数量尽可能小（每个管子接头焊3点，每相邻两点相隔1200），以不会造成焊缝崩裂为宜。定位焊缝宽度不得超过正式焊缝，定位焊缝不允许有任何缺陷存在。正式焊接时，定位焊必须要被完全熔化。焊接开始前，定位焊应用不锈钢刷清洁。如采用过桥定位，在焊到该处时，必须用砂轮打磨掉。焊接前，先用阔胶带或铝箔纸把所有管子两端和坡口堵住，管子一段充氩气，另一端开一个约5mm的小气孔，当管内氧的含量小于0.05%时，方可焊接。

（2）坡口面采用铝箔胶带密封，焊接时，先撕开坡口表面上的铝箔胶带，长约30-40mm。焊一段后再撕开一段。不得将坡口表面上的铝箔胶带全部撕完后再焊。焊接过程中，必须始终对管内充氩保护。填充焊丝端点应始终处于氩气保护中。如果焊丝端点已受热氧化，在重新焊接前，应将焊丝端点氧化段剪掉。焊接过程中的引弧、熄弧必须在坡口内，不得在管壁表面任意引弧、熄弧。在每道焊缝末端，应借助焊机上的电流衰减功能，逐渐减小焊接电流，从而使熔池逐渐变小。熄弧后，氩气在收弧处延迟2-5秒钟停气，直至熔池冷凝，焊炬方可移开。如果熔敷金属在热的条件下从氩气保护中意外脱离，在焊接从新开始前氧化点必须被清除。焊接时，层间温度应不超过1500C。

（3）焊接电弧应尽可能短。（大致的原则是：电极与焊缝间的距离应等同于电极的直径，电极且应约向焊接的方向倾斜。）在焊接过程中，不能使焊炬相互交织，需采用短弧不摆动操作方法，尽量压低电弧。焊道应尽可能长，尽可能减少中断的次数，以减少末端焊口气孔的形成。

（4）送丝要领：送丝时焊丝与工件表面约成150左右，送丝时不能大幅度抖动，只能小幅度拉动，等从焊丝端部熔下一滴焊珠后，焊丝只能稍微拉后一点在行送进，不能拉出过多而把焊丝端部拉出保护区，焊丝拉出保护区后，其端部在高温下会氧化，焊缝中容易产生气孔。

（5）打底焊时应注意根部熔透，当熔池金属稍有下沉时，表明已焊透，焊炬向前匀速移动。加焊第二道时，焊丝不应离开气体保护区，防止丝端氧化。

（6）为了保证接头质量，要做好：一是弧坑要填满；二是接头前要把弧坑表面用不锈钢丝刷刷清；多层焊时，前一层表面也必须刷清；三是焊丝头要剪掉。

7质量控制

7.1焊前检查

焊前应仔细检查焊工的资质和焊材的保管、领用等。施焊环境温度不得低于10℃，风速≤2m/s，相对湿度≤90%。否则应采用相应的措施来保证。管材和焊丝的清洁度检查。坡口角度为60°-70°，钝边为1-2mm，根部间隙为2-4mm，对口错边量≤0.5mm。

7.2焊接过程中检查

焊接参数（电流、电压、焊接速度等）严格按照标准执行。层间温度的控制≤150℃。

焊接过程中，每一层/道焊缝都要仔细检查并及时清理焊渣、缩孔。

7.3焊后检验

焊缝表面不应有任何肉眼可见缺陷存在，如裂纹、气孔、缩孔、未熔合、未焊透、咬边等，焊缝与母材要求光滑过渡。焊缝成形应光洁、美观。焊缝正面和背面与余高≤1.5mm，且任何情况下不得低于母材。无损检测合格标准：RTII。

结语：通过对Cu-Ni合金工艺性的分析及焊接工艺在实际施工中的应用，在焊接施工时应注意以下几个方面：1、焊前对管材、焊材的清理是获得焊接成功的前提条件；2、施工环境的清洁，防止污染是获得焊接成功的必要条件；3、焊接时要保证气体保护质量；在保证熔合良好的情况下尽量选择短弧不摆动焊接技术，同时要严格控制层间温度；4、不同情况下的焊接方法/要领的运用。

在哈维亚天然气改扩建工程中，我们运用上面的工艺焊接该合金管道，射线检测一次合格率均为99.5%,圆满完成了工程任务，受到总包(TRG)和业主（SaudiAramco）的高度好评。

由此可见，只要充分掌握该合金的材料特性和焊接性能，在焊接施工中采取相应技术措施，采用此工艺是完全可行的。

参考文献

[1]中国焊接学会,焊接手册----北京:机械工业出版社

[2]船舶焊接手册----北京:机械工业出版社

[3]WeldingRequirementsforOn-PlotPiping----SAES-W-011