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1銅-鎳合金的焊接性能

1．1焊接熱裂紋問題由于銅與雜質形成多種低熔點共晶，如熔點為326℃的(Cu+Pb)共晶、熔點為1064℃的(Cu2O+Cu)共晶以及熔點為1067℃的(Cu+Cu2S)共晶等，因此易導致熱裂紋的產生。應嚴格限制母材及焊絲中S、P等雜質元素的含量，同時焊前磨去母材坡口氧化膜、用丙酮清洗焊絲及母材表面的油污。

1．2焊接變形由于銅-鎳合金線膨脹系數及收縮率偏大，為減少變形及焊縫殘余應力，同時保證單面焊雙面成型，因此宜采用鎢極氬弧焊，采用窄焊道、不宜留過大的焊縫間隙。對于直徑偏大的管子應采取對稱焊工藝。

1．3氣孔銅焊接時極易出現氣孔，主要是氫氣孔和水蒸氣氣孔。氫氣孔產生的主要原因是由于氫在銅中的溶解度在液態轉在固態時有急劇變化，在熔池的快速冷卻的作用下，氫來不及逸出形成氣孔［2］。水蒸氣氣孔產生主要原因是由于在高溫時銅與氧有很大的親和力而生成氧化亞銅，它在1200℃時析出，隨溫度下降，其析出量也隨之增大，與溶解在液態銅中的氫發生下列反應。所形成的水蒸氣不溶于銅，在熔池的快速冷卻的作用下，水蒸氣來不及逸出形成氣孔。因此在焊接時應該控制氫的來源，保護氣體應選用純度為99．9%的氬氣，應減緩熔池的冷卻速度，增長氣體逸出的時間。由于銅-鎳合金冷卻速度相對于銅慢，氣孔敏感性與純銅相比有很大的改善，有較充足的時間使氣孔逸出，這對于減少氫氣孔十分有利。同時，焊前應去除母材坡口表面的氧化膜，以減少氧元素的來源，可以起到減少水蒸氣氣孔及熱裂紋的傾向。

1．4接頭性能下降由于銅-鎳合金無同素異構轉變，在液相轉變為α相時易生成大量的柱狀晶，導致接頭塑性、韌性下降。宜采用適當的工藝方法進行減少柱狀晶、細化晶粒。因此，對于壁厚偏厚的管子需采用多層多道工藝，減少單層、單道熔敷金屬厚度，以改善接頭力學性能。銅合金的耐蝕性能是依靠其合金元素而獲得的，但是采用熔化焊方法必然會有合金元素氧化燒損，耐蝕性能會下降。因此，在選擇填充材料時應當考慮補充合金元素，即選擇含鎳量更高的焊絲。

2焊接工藝及接頭形式

2．1焊接工藝由于考慮銅-鎳合金的焊接性、管子焊接需采用單面焊雙面成形工藝、同時考慮車間生產實際情況、以及海水冷卻管路總量并不多。最適宜焊接方法確定為TIG焊。焊接設備選用逆變300A焊接電源，保護氣體為99．9%氬氣，鎢極選用WC20鈰鎢極。在選用焊絲時應考慮焊接接頭的耐腐蝕性，選擇含鎳量為30%的焊絲，牌號為TIG－CuNi(B30)，AWSA5．7ERCuNi，生產廠商為遼寧錦州特種焊條廠。

2．2接頭形式根據設計要求，海水冷卻管均在管子車間內生產，管子零件端頭均安裝有松套法蘭，整個管系無焊接支管、無需冷加工，均采購成品彎頭及三通，管子零件生產完成后運輸至船上，在船上安裝時采用螺栓連接法蘭把管子零件連接，再與設備連接即可，整個安裝過程無需焊接。因此焊接接頭形式只有管對接焊，焊接位置僅設計為1G(水平滾動焊)即滿足生產要求。根據詳細設計中海水冷卻系統管徑及壁厚，選擇不同的坡口形式，壁厚大于2．5mm采用鈍邊0～1mm“V”形坡口，壁厚小于等于2．5mm采用“I”形坡口，焊縫間隙均控制在0～1mm。坡口形式見圖1。

3焊接試驗

3．1試驗材料下料及焊前準備在試驗材料下料前，首先應參考設計圖紙中管徑的規格，選擇合適的管子外徑及壁厚尺寸，并參照船級社規范，選擇認可范圍能夠全面覆蓋實際生產的管子規格。對試驗管外徑小于或等于25mm的管子，認可范圍可以達到0．5D～2D的管子;當試驗管外徑大于25mm，認可范圍可以達到0．5D以上，最低范圍外徑不小于25mm。根據以上設計原則，最終選擇了直徑×壁厚為219mm×3．5mm(A)和38mm×1.5mm(B)兩種規格的管子作為試驗材料。其中A管采用機械加工方式開坡口，坡口角度見圖1。裝配前打磨坡口表面氧化膜及坡口兩邊20mm范圍，并用丙酮擦拭，保證坡口干凈、無油污等其它有害于焊接的附著物。設備及工具準備內容:逆變300A焊接電源采用直流正接法(DCEN)、氬弧焊水冷焊槍、直徑2．4mm鈰鎢極、純度為99．9%氬氣2瓶、氬氣表、直徑2．4mm焊絲TIG－CuNi(B30)、鋁箔膠帶、焊接面罩、鋼絲刷等焊工必備工具。

3．2裝配及焊接A管在裝配時控制焊縫間隙在0～1mm，并采用3個焊點固定，同心度控制在0．5mm以內。點焊時采用不填絲技術，熔化母材并熔合形成焊點。再使用鋁箔膠帶將管子兩頭封閉，一頭插入軟管通入氬氣進行反面氣體保護，另一頭保留一個排氣小孔。充氣氣體流量根據管子直徑確定，打底焊時氣體流量應調節至25～30L/min，再用鋁箔膠帶將管子圓周接縫進行局部封閉，封閉部分占整個環形接縫的75%～80%，焊接時可先焊接未封閉的部分，再將局部封閉的部分慢慢拆下，再焊接剛剛拆下的部分，以此類推。焊接時可采用最合適的焊接位置，即平焊或有一定角度的立焊位置進行焊接。A管在打底焊時采用不填絲技術，熔化母材形成熔池，當液態金屬不足時可填一滴焊絲焊滴。當焊接到點焊位置時，應減慢焊接速度，將焊點熔化并熔合后再繼續焊接。當焊縫接近焊完時，應減小流量或關閉反面氣體保護，以免使管內氣體壓力過高，造成反面成型變為“凹”形，或熔滴噴出的現象。在收弧時可填充一滴焊絲熔滴，以保證弧坑填滿。經過試驗，管徑越大的管子在焊接過程中越容易出現反面成型不良、大范圍氧化的現象。主要原因就是反面氣體保護不好，有大量空氣混入。因此，對于大直徑的管子焊接，更應該重視反面氣體保護的工作。經過試驗，采用不填絲技術能夠更有效地控制反面成型，而且，銅-鎳管對接接頭打底焊不填絲技術也在有關研究資料中得到應用［3-4］。打底焊完成后應使用鋼絲刷刷掉表面氧化部分，層間溫度需控制在150℃以下。蓋面時管子內部仍需通入氬氣，以保證焊縫不被氧化，氬氣氣體流量可有所降低，調節至15～20L/min即可。蓋面焊接速度需減慢，以保證焊絲熔化完全填充坡口。焊接參數見表3。B管在裝配時與大直徑管子裝配方法基本相同，僅管子反面保護氣體流量調節至7L/min即可。焊接時邊焊接邊填絲，一次成型。由于管徑較小，反面充氣保護比較容易，不易有空氣混入，因此反面成型比較容易保證。焊接參數見表4。表4B管焊接參數(采用TIG法、電源極性為DCEN)采用以上工藝參數以及操作方法，焊縫內、外表面成型優良，未產生劇烈氧化、氣孔、咬邊等表面焊接缺陷，允許進行下一步無損探傷及力學性能試驗。B管焊接熔敷順序及效果見圖2。

4無損探傷及力學性能試驗

根據船級社規范，焊接工藝試驗焊縫無損探傷需進行100%滲透檢驗和100%拍片檢驗，所有焊接試管對接縫檢驗均未發現表面裂紋或開口型缺陷，且拍片檢驗時均評為I級片。力學性能試驗結果完全符合要求。

5車間內預制管的生產

焊接工藝經過認可以后，更重要的工作就是能夠高質量且穩定、高效率地生產。因此，還需要以焊接工藝為基礎，研究預制管零件圖紙，進行仔細分析、精心組織、細化生產流程。以每一道工序為單位，場地固定、人員定編的流水線式生產，以達到高效生產的目的。下料時可采用砂輪切割機或等離子切割機，切口必須修整光順，并清除毛刺，下料長度誤差控制在±1mm。壁厚＞2．5mm的管子宜采用多道焊技術，需開坡口，坡口角度為70°，裝配間隙0～1mm。焊接工序是銅-鎳合金預制管生產的最重要工序，所有的焊工必須經過培訓并考試合格后方可進行施工，必須保證所有的工具及設備齊全、氣體純度達標、焊絲牌號正確。檢查坡口及坡口兩邊20mm范圍內不得有油污、雜物、氧化皮及其他對焊接質量有影響的附著物。焊前將管子兩頭封閉，向管子內通入氬氣，氣體流量需根據管子直徑及打底焊及蓋面焊有所區分，同時將管子上未焊接的環縫采用鋁箔膠帶包裹起來，焊一條、拆一條，直至管子完全焊完。管子零件生產完成后需進行水壓試驗。試驗壓力為0．4MPa，檢驗合格后在法蘭位置打上驗收合格鋼印。如有泄露應進行返修，采用砂輪機打磨泄露處，打磨出“U”形坡口后再進行補焊，補焊時同樣需要在管子內部通入氬氣。驗收合格的管子零件需在兩頭用塑料封板封閉，管子外側用三防布嚴密包裹后方可裝箱發貨，起吊時需采用吊帶，不得使用鋼絲繩。

6管系安裝

銅-鎳合金管質地比較軟，在安裝時應特別仔細、小心，嚴禁亂扔，防止管子變形或損壞。管子在分段預裝結束、進行噴砂處理之前，應進行良好的保護，以免鋼砂損壞管子。海水冷卻系統管路安裝完全結束后更應該注意保護，以免在機艙內進行焊接、切割等交叉作業時損壞管子。安裝在人員活動頻繁位置的管子應考慮防碰撞保護，采用三防布包裹后，再使用鉛絲和軟木條包扎在管子周圍，待機艙內所有工種施工完成后再拆除所有防護。

7結束語

采用上述焊接及生產工藝，浙江正和造船有限公司在管子加工車間內生產的銅-鎳合金管零件成型良好，得到船東的好評，并且在壓水試驗中均一次通過，無泄露點。公司已交付了4艘37300t散貨船，在精心的管理和嚴謹的施工下，未發生銅-鎳合金管的焊接質量問題。目前，銅-鎳合金管在散貨船海水冷卻系統的應用較少，大部分仍采用的熱浸鋅碳鋼管。因此，該工藝對于有相關或類似材料的產品生產有一定參考和借鑒作用。

作者：趙軼磊陳倩清單位：浙江正和造船有限公司浙江國際海運職業技術學院