1、 材料性能及焊接性分析

銅鎳合金管組成成分主要有銅元素和鎳元素，其中銅元素含量大約占 90%，鎳元素含量約占 10%。銅鎳合金管的導(dǎo)熱系數(shù)要高于低合金鋼且與碳鋼相接近，銅鎳合金管的熱膨脹系數(shù)和不銹鋼相似，銅鎳合金管的熔點(diǎn)是 1 149 ℃。

1.1 銅鎳合金管焊接性分析

銅鎳合金管焊接性的特點(diǎn)主要是由其自身的物理性能和化學(xué)性能兩方面所決定，依據(jù)這兩方面影響因素可以確定銅鎳合金管的焊接特點(diǎn)主要有以下幾方面 ：

1.1.1 熱裂傾向性大

銅鎳合金管在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使得合金管中的銅元素與其雜質(zhì)中的 Pb、S 等元素通過(guò)一些類化學(xué)反應(yīng)形成了 Cu 和 Pb 低熔點(diǎn)共晶體、C 和 Cu2S 低熔點(diǎn)共晶體，而 Cu 和 Pb 共晶體的熔點(diǎn)為 326℃，Cu 和 Cu2S共晶體的熔點(diǎn)是 1 067 ℃等，由于共晶體的熔點(diǎn)低于銅鎳合金的熔點(diǎn)，所以共晶體產(chǎn)生的過(guò)程會(huì)增加銅鎳合金管的熱脆性，增加了焊接過(guò)程出現(xiàn)熱裂紋缺陷的概率[1]。 此外，銅鎳合金管較大的膨脹系數(shù)也加劇了焊接接頭的熱裂傾向。

1.1.2 產(chǎn)生氣孔傾向嚴(yán)重

銅鎳合金管焊接時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散性氣孔主要由溶解的氫所引起的，當(dāng)進(jìn)行銅鎳合金管焊接作業(yè)時(shí)，焊縫冷卻結(jié)晶后，氫的飽和濃度增加，導(dǎo)致不溶于銅的氫氣沒(méi)有及時(shí)溢出，繼而形成了氫氣孔。與此同時(shí)，還有一部氣孔是由于銅鎳合金管在焊接過(guò)程中發(fā)生了氧化反應(yīng)生產(chǎn)的氣體引起的。

1.1.3 焊接接頭性能下降

在銅鎳合金管焊接過(guò)程中，一部分雜質(zhì)與合金元素發(fā)生反應(yīng)，促使合金管自身元素發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致合金元素的減少或者出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，繼而降低了銅鎳合金管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和抗海水腐蝕能力。

2、 焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

通過(guò)上文對(duì)銅鎳合金管材料性能和焊接性分析可知，焊接母材、焊接選用的保護(hù)氣體、焊絲類型、銅鎳合金管表面清潔程度以及焊接工藝等因素都有可能引起焊接氣孔這樣的質(zhì)量缺陷。為了確定出現(xiàn)焊接氣孔的原因，設(shè)計(jì)了幾組對(duì)比試驗(yàn)來(lái)確定影響銅鎳合金管焊接氣孔產(chǎn)生的主要原因。具體的對(duì)比方案詳見(jiàn)表 1。

2.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)際應(yīng)用中選擇的焊接母材大多數(shù)為銅鎳合金管 CuNi70/30（國(guó)產(chǎn)），所以設(shè)計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)中除了試驗(yàn) 1 中驗(yàn)證焊接母材質(zhì)量選擇了德國(guó)進(jìn)口銅鎳合金管CuNi70/30 進(jìn)行對(duì)比，其余三組試驗(yàn)焊接母材均為銅鎳合金管 CuNi70/30（國(guó)產(chǎn)）。無(wú)論是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)，銅鎳合金管 CuNi70/30 規(guī)格型號(hào)均為 Ф327.5 mm×6 mm，銅鎳合金管填充焊絲為 ERCuNi，焊接方式為鎢極氬弧焊，焊接作業(yè)前無(wú)需預(yù)熱，采用直流電。正式焊接前需要對(duì)銅鎳合金管管口附近清洗干凈，然后將兩根銅鎳合金管兩端密封并向管內(nèi)注入一定氬氣 ；合金管對(duì)接處用膠帶封閉，在焊接過(guò)程中逐步揭開(kāi)膠帶。

3 、試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)方案 1 的試驗(yàn)結(jié)果 ：在相同的焊接條件和同等水平焊工焊接作業(yè)下，銅鎳合金管 CuNi70/30（國(guó)產(chǎn)）和銅鎳合金管 CuNi70/30（進(jìn)口）在焊接后產(chǎn)生的氣孔均是少量的而且沒(méi)有超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足焊接要求。以此可見(jiàn)，銅鎳合金管 CuNi70/30（國(guó)產(chǎn)）和銅鎳合金管CuNi70/30（進(jìn)口）的可焊性不相上下，焊接氣孔傾向性很低。

試驗(yàn)方案 2 和試驗(yàn)方案 3 的試驗(yàn)結(jié)果 ：當(dāng)提高保護(hù)氣體濃度時(shí)，在合金管表面進(jìn)行重熔試驗(yàn)后的焊接過(guò)程起弧和熄弧地方容易處易產(chǎn)生氣孔，而焊縫除了起弧和熄弧的地方，其他地方?jīng)]有氣孔。所以，通過(guò)方案 2 和方案 3 可以確定高濃度保護(hù)氣體可以有效抑制銅鎳合金管焊接氣泡的產(chǎn)生。通過(guò)試驗(yàn)可以確定，采用高濃度保護(hù)氣體和添加焊絲可以抑制焊接氣孔的產(chǎn)生，但并不是百分之百抑制。所以還需要采取更加嚴(yán)格的焊接工藝來(lái)控制焊接氣泡的產(chǎn)生。

4、抑制焊接氣孔措施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，從焊接保護(hù)氣體、合金管焊接保護(hù)方式等方面采取優(yōu)化措施來(lái)抑制焊接氣孔的產(chǎn)生。

（1）焊接保護(hù)氣體的優(yōu)化。將原有的純度為 99%的氬氣改換為純度大于 99.999% 的高純度 Ar 進(jìn)行焊接作業(yè)。

（2）焊接保護(hù)方式的優(yōu)化。從密封方式、密封材料以及焊嘴規(guī)格尺寸等方面對(duì)其進(jìn)行改良優(yōu)化。改進(jìn)前的密封裝置沒(méi)有設(shè)置出氣孔，且密封裝置采用的是硬紙板和膠帶，焊接作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)使其部分出現(xiàn)脫落，造成密封不良的現(xiàn)象發(fā)生。改進(jìn)后的密封裝置使用內(nèi)部推進(jìn)式的密封罩，采用海綿板作為密封罩的主要材料，一端封堵另一端留 6 mm 的出氣孔。銅鎳合金管內(nèi)部改進(jìn)后的氬氣通過(guò)流速為 22 L/min，保持勻速通氣一端時(shí)間待合金管內(nèi)空氣被排除干凈后，停止通氣并開(kāi)始正式焊接作業(yè)[2]。焊接時(shí)，將背面通氣流速降至 12 L/min，具體通氣速度要根據(jù)合金管的長(zhǎng)度和合金管的直徑來(lái)定，文中給出的通氣速度是根據(jù)實(shí)驗(yàn)中合金管的規(guī)格尺寸來(lái)確定的。改進(jìn)后的密封方式特別之處是在合金管的 焊接處設(shè)置了一個(gè)保護(hù)氣室，該保護(hù)氣室的保護(hù)效果良好，設(shè)置保護(hù)氣室的根本原因是基于合金管的長(zhǎng)度考慮，讓密封圈可以推到焊接管對(duì)接處，起到全封閉的效果。

為了讓焊槍噴嘴達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)效果，將噴嘴直徑從原先的 8 mm 增加到 11 mm。

（3）焊接操作。在正式焊接作業(yè)前需要用不銹鋼刷子將合金管坡口周圍至少 20 mm 范圍內(nèi)打磨干凈，以打磨出金屬光澤為標(biāo)準(zhǔn)，打磨完成后用丙酮溶液清洗將要添加的焊絲，并利用丙酮溶液來(lái)清洗合金管坡口周圍的油污。銅鎳合金管的定位焊所處的位置不能太靠近合金管根部，貼近合金管表面即可，且焊接時(shí)要將其打磨干凈。焊接引燃電弧時(shí)，從焊槍移動(dòng)到焊接位置時(shí)要根據(jù)焊嘴提前送保護(hù)氣體 ；當(dāng)焊接結(jié)束的熄弧時(shí)間段，要持續(xù)供應(yīng)一段時(shí)間的保護(hù)氣體，讓保護(hù)氣體充分保護(hù)焊接部分，通氣一端時(shí)間后再移開(kāi)焊槍。移開(kāi)焊槍的二次焊接需要對(duì)銅鎳合金管端部的氧化物進(jìn)行處理，處理干凈后方可進(jìn)行二次焊接作業(yè)。此外，焊接作業(yè)時(shí)候要壓低焊接電弧，控制焊槍擺動(dòng)幅度，目的是避免空氣進(jìn)入，密封用的膠帶要隨著焊接的進(jìn)度逐漸撕開(kāi)，撕開(kāi)長(zhǎng)度控制在 35 mm 左右。

5 、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)踐分析論證可知，改用純度更高的 Ar保護(hù)氣、焊接前將坡口打磨清掃干凈、焊前將坡口附近區(qū)域清理干凈，提高保護(hù)氣純度、改進(jìn)為內(nèi)部推進(jìn)式的密封罩以及改進(jìn)密封方式等都會(huì)有效抑制銅鎳合金管焊接氣孔的產(chǎn)生。此外，銅鎳合金管的定位焊、起弧和熄弧三處相對(duì)容易產(chǎn)生氣孔，所以采取行之有效的措施改進(jìn)這三處的焊接操作可以有效提高焊接質(zhì)量，降低焊接氣孔發(fā)生的概率，保證了焊縫射線檢測(cè)合格。

參考文獻(xiàn) ：

[1]陸菁，武家艷 . 銅鎳合金的研究及其應(yīng)用綜述 [J]. 有色金屬材料與工程，2020,41(03):55-60.

[2]張麒，劉甲，崔永杰，等 . 銅鎳合金管環(huán)焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析 [J]. 焊接技術(shù)，2019,48(12):85-88.

相關(guān)鏈接