UNS C70600铜镍合金管在特定环境下的焊接应用

摘要:UNS C70600铜镍合金管,凭借其卓越的机械性能和抗腐蚀性能,在船舶工程、化工行业、能源工程及海洋工程等多个领域得到了广泛应用。它常被用于制造管路系统、冷凝管、蒸发器、热交换器以及各种高强度耐蚀部件。

UNS C70600铜镍合金管,凭借其卓越的机械性能和抗腐蚀性能,在船舶工程、化工行业、能源工程及海洋工程等多个领域得到了广泛应用。它常被用于制造管路系统、冷凝管、蒸发器、热交换器以及各种高强度耐蚀部件。

1 材料性能及焊接性分析

UNS C70600铜镍合金,是一种以镍为主要合金元素的铜基合金,其中铜含量约为90%,镍含量约为10%。其导热系数与碳钢相近,热膨胀系数则与奥氏体不锈钢相似,熔点高达1149℃。

1.1 焊接性分析

基于UNS C70600铜镍合金的化学成分、热物理及物理化学特性,对其焊接性进行深入分析,得出以下主要特点:

1.1.1 热裂倾向显著

在受热及焊接过程中,铜镍合金中的铜与杂质会形成多种低熔点共晶,如熔点为326℃的Cu+Pb、熔点为1064℃的Cu₂O+Cu以及熔点为1067℃的C+Cu₂S等。这些共晶的熔点均低于铜镍合金本身,它们在结晶过程中易在枝晶或晶界处聚集,导致铜镍合金具有明显的热脆性。在焊缝凝固的固液阶段及热影响区的易熔共晶液化状态下,焊接应力易引发热裂纹。此外,铜镍合金较大的膨胀系数也增加了接头的热裂倾向。

1.1.2 气孔倾向严重

铜镍合金焊缝在结晶时,由于溶解性气体氢导致的扩散性气孔问题突出。当氢的过饱和程度较高且氢气来不及逸出时,就会产生氢气孔。同时,熔池中的Cu₂O与氢反应生成水蒸气或与CO反应生成CO₂,从而产生反应气孔。具体反应式如下:

Cu₂O+2H→2Cu+H₂O↑
Cu₂O+CO→2Cu+CO₂↑

1.1.3 接头性能下降

焊接过程中,杂质和合金元素的掺入、有用合金元素的氧化与蒸发以及焊接缺陷的产生等因素,均会导致接头的抗拉强度和耐蚀性能下降。

2 焊接方法和材料的选用

钨极气体保护焊(俗称氩弧焊)以其电弧稳定、能量集中、保护效果好、操作灵活及焊后变形小等优点,逐渐取代了气焊、碳弧焊和焊条手工电弧焊,成为铜及铜合金熔化焊接中应用最广泛的方法之一,尤其适用于中、薄板的焊接。因此,在铜镍合金管的焊接中,我们选择了氩弧焊作为焊接方法,并根据母材的化学成分和力学性能,选用了与之相匹配的AWS A5.7M铜和铜合金光焊丝ErCuNi。

3 焊接工艺及评定试验

按照ASME规范第IX卷《焊接、钎接和粘接评定》的要求,我们进行了焊接工艺评定。试验采用了φ89×4的UNS C70600铜镍合金管,焊接位置为5G(立向上)。

3.1 焊接工艺要点

1)在焊接前,使用不锈钢专用砂轮片和不锈钢铁丝刷对焊缝坡口50mm范围内的毛刺、氧化物、油污等杂质进行彻底清理。

2)定位焊接的数量应尽量少且长度短。正式焊接前,应对定位焊缝进行清洁处理。如出现裂纹,需进行打磨清除并重新点焊。

3)当采用ErCuNi填充金属进行钨极气体保护焊时,虽不要求预热,但必须去除潮气。在寒冷和潮湿环境下,应保温至约25℃。

4)保护气体采用纯度高达99.99%的氩气。焊接前,先用铝箔封住管子两端和坡口,从一端充入氩气,另一端开一小孔进行气体置换,以确保焊缝背部的氩气保护。焊接时,边焊边揭开覆盖在坡口上的铝箔胶带,以减少管内氩气的外逸。

5)电弧应保持尽可能短,以确保适当的保护气体屏蔽并减少气孔的产生。熄弧后,氩气应在收弧处延迟2~5秒停气,直至熔池完全冷凝。

6)焊接时,层间温度应控制在不超过150℃。

4 结论

针对DF13-2项目中UNS C70600铜镍合金管的焊接工艺,结合工程应用的实际需求,我们对该合金管的焊接工艺评定及焊接质量控制进行了详细阐述,并得出以下结论:

(1)焊前需做好充分准备,彻底清理坡口及焊丝表面的水分、油污、氧化物等杂质,确保坡口组对的装配间隙足够。同时,连接好背部充气装置,并使用测氧仪监测背部气体的氧气浓度。

(2)当测氧仪示数小于0.1时方可开始焊接。引弧和熄弧必须确保在焊口内部进行,封底层的焊接应确保背部保护气体的氧气浓度始终小于0.1%。背部保护气体应保留至3层焊缝或6.4mm焊缝厚度,以防止焊缝金属氧化。为避免焊缝金属内凹,背部保护气体的压力不宜过大。

(3)采用GTAW焊接方法,选用ERCuNi焊丝对两种不同壁厚的UNS C70600铜镍合金管进行全位置焊接。由于壁厚较厚的铜镍合金管散热较快,而壁厚较薄的则散热较慢,因此为保证焊接质量,需根据管子的厚度调整热输入。厚度大的管子需要的热输入较大,而厚度小的管子则需要的热输入较小。在焊接过程中应严格控制各项参数,确保最大层间温度不超过150℃,焊接最大热输入不超过2.0 kJ/mm。

(4)焊后进行NDT检测及力学性能试验,结果表明,在该焊接工艺下完成的焊接接头未出现焊接裂纹、气孔、未熔合、内凹及焊缝金属氧化等缺陷,接头形貌完好。焊接接头的抗拉强度、弯曲韧性及最大硬度均满足相关标准的验收要求,展现出良好的强度和塑韧性。

来源:上海沃乘实业

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