海洋平臺銅鎳合金管焊接氣孔控制研究

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(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200125;2.上海海工裝備高效智能焊接技術(shù)研究中心,上海 200125)

銅鎳合金管具有良好的力學(xué)性能和抗海水腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于船舶海水冷卻管系和海洋石油鉆井平臺管系中[1-2]。銅鎳合金管的應(yīng)用既可減小管壁厚度和管子質(zhì)量，又可延長其使用壽命。但銅鎳合金管熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)電率遠(yuǎn)高于碳鋼及低合金鋼，焊接難度大、焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔、氧化等缺陷，單面焊雙面成形要求內(nèi)表面成形良好，焊后要進(jìn)行X射線檢測[3]。為此，本文對銅鎳管焊接氣孔問題進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析氣孔產(chǎn)生原因并制定改進(jìn)措施。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

銅鎳管為韓國進(jìn)口CuNi90/10，管子規(guī)格為Ф329.6 mm×4 mm，填充焊絲為韓國現(xiàn)代SMT-7030，采用鎢極氬弧焊GTAW，直流正接，焊接位置6G，焊前不需預(yù)熱。焊接參數(shù)見表1，接頭形式見圖1。

表1 焊接參數(shù)

焊前將坡口及周圍20～50 mm范圍內(nèi)用不銹鋼刷清理干凈；焊前管子兩端密封，預(yù)先向管內(nèi)通入一定時(shí)間氬氣；管子對接處用膠帶密封，施焊過程時(shí)邊焊邊將膠帶揭開。

圖1 接頭形式

1.2 試驗(yàn)方案

銅鎳合金管焊接時(shí)，影響焊接氣孔的因素較多，如母材、焊絲、保護(hù)氣體、保護(hù)效果、焊接工藝、清理不凈等均會(huì)造成焊接氣孔[4-5]。為了分析銅鎳管焊接氣孔產(chǎn)生的主要原因，分別從母材、焊絲、保護(hù)氣體及保護(hù)方式、焊接工藝等角度設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)方案，見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行宏觀缺陷檢查和射線檢測(RT)探傷，試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過方案1的對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的焊接條件下韓國銅鎳管焊后產(chǎn)生大量氣孔，而德國的銅鎳管焊后氣孔極少且不超標(biāo)，滿足RT要求。由此可知，韓國銅鎳合金管的可焊性比德國的差，焊接氣孔傾向性大。

試驗(yàn)方案2和3，采用更高純度的Ar保護(hù)(氣體純度≥99.999%Ar)，在表面進(jìn)行重熔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)起弧、熄弧處易產(chǎn)生氣孔，焊縫其它位置無氣孔，如圖2a)所示。

表2 試驗(yàn)方案(氣體純度≥99.99%Ar)

表3 試驗(yàn)結(jié)果

因此，采用純度≥99.999%Ar保護(hù)氣體可以起到良好的保護(hù)效果。試驗(yàn)方案4，由于定位焊處清理不凈，因此，在定位焊處易產(chǎn)生氣孔，如圖2b)所示；管內(nèi)背面保護(hù)效果不良，易產(chǎn)生氣孔，如圖2c)所示。

綜上試驗(yàn)表明，采用的焊絲、保護(hù)氣體可以滿足要求，但是由于生產(chǎn)應(yīng)用的銅鎳管材質(zhì)焊接氣孔傾向性較大，必須采取更嚴(yán)格的工藝要求和保護(hù)措施才能避免焊接氣孔。

圖2 試驗(yàn)結(jié)果(焊接氣孔位置)

3 控制措施

分析對比試驗(yàn)結(jié)果，在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別從保護(hù)氣體、保護(hù)方式、焊接操作等方面控制焊接氣孔。

1)保護(hù)氣體。純度由≥99.99%氬氣改為純度≥99.999%的高純Ar進(jìn)行焊接。

2)保護(hù)方式。改進(jìn)密封裝置、通氣方式、現(xiàn)場密封方式、焊嘴尺寸等。

①密封裝置。原密封裝置如圖3a)所示，原密封裝置未留出氣孔，且硬紙板+膠帶在受熱后會(huì)脫落，密封不良。改進(jìn)后密封裝置如圖3b)所示，采用內(nèi)推式密封罩，密封罩為夾海綿的膠合板或薄鋼板，通氣端密封，另一端留直徑5～8 mm的出氣孔。

②通氣方式。焊接前，管子內(nèi)部通氬氣流量為20～25 L/min，保持一定時(shí)間，保證管內(nèi)空氣排干凈后進(jìn)行施焊；焊接時(shí)，將背面氣流量調(diào)小至10～15 L/min。(注：管子直徑、長度不同，通氣時(shí)間不同)。

③現(xiàn)場密封方式。如圖3c)所示，由于管子有一定的長度，焊接時(shí)應(yīng)將密封圈推到管子對接處，在管子焊接處造一個(gè)保護(hù)氣室，保護(hù)效果較好。

④焊槍噴嘴：采用大型號的噴嘴，保護(hù)效果好，噴嘴直徑由8 mm改為11 mm。

3)焊接操作。

①焊前用不銹鋼刷將坡口周圍區(qū)域≥20 mm范圍內(nèi)打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗焊絲和坡口周圍的油污等雜質(zhì)。

圖3 密封裝置及密封方式

②定位焊不要過于靠近根部，近表面即可，焊接時(shí)將其打磨干凈。

③起弧時(shí)，焊槍到焊接位置時(shí)，焊嘴提前送氣保護(hù)；熄弧時(shí)，停留一定時(shí)間，讓保護(hù)氣體充分保護(hù)焊接區(qū)，再移開焊槍。

④再次焊接時(shí)，注意將焊絲端部氧化物清理干凈。

⑤焊接時(shí)，滯后氣體，焊槍應(yīng)盡量小幅擺動(dòng)，同時(shí)壓低電弧，防止空氣侵入。寬膠帶紙一邊焊一邊揭開，揭開長度30～40 mm。

⑥焊接打磨時(shí)，定位焊、起弧、熄弧處要打磨干凈，并用丙酮清洗。

4 結(jié)論

1)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)密封裝置、密封方式可有效減少氣孔。

2)焊接時(shí)定位焊、起弧、熄弧處易產(chǎn)生氣孔，改進(jìn)定位焊、起弧、熄弧處操作，可有效避免焊接氣孔，保證焊縫射線檢測(RT)合格。

[1] 馮 沖.海洋石油工程中Cu-Ni合金管線焊接工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].中國海上油氣,2005,17(4):278-281.

[2] 王吉會(huì),姜曉霞,李詩卓.70Cu-30Ni合金管的組織和耐蝕性[J]中國有色金屬學(xué)報(bào),1995,5(4):93-97.

[3] 李 煒,孫自榮,孫學(xué)盛.船用銅鎳合金管焊接工藝研究[J].造船技術(shù),1997(11):35-38.

[4] 張永光,張俊成,劉傳波.銅鎳合金管-板密封焊的氣孔問題及解決措施[J].焊接,1994(4):20-22.

[5] 姜學(xué)棟.CuNi10Fe合金管TIG焊焊接工藝分析[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,9(4):36-39.