C71500銅鎳合金再沸器管子管板焊接

劉玉祥 齊淑改 商健

(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海 201323)

某再沸器殼程設(shè)計(jì)溫度260℃，介質(zhì)為蒸汽，材料為SA-516 Gr.70；管程設(shè)計(jì)溫度為260℃，管箱筒體及封頭材料為ASME SB-171 C71500，規(guī)格為ID614 mm×12.7 mm，管板為SA-516 70復(fù)合SB-171 C71500，規(guī)格為?800 mm×(45+8)mm，換熱管材料為SB-111 C71500，規(guī)格為?25.4 mm×3.4 mm。C71500合金因加入30%左右Ni使母材呈銀白色，通常稱(chēng)為白銅，此合金在流速較高的污染海水環(huán)境中有較好的抗腐蝕性能，常作為一種高耐蝕性能材料廣泛用于化工的重污染的冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器及海水工程中。Cu-Ni合金材料在焊接過(guò)程中易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等缺陷，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)保證焊接質(zhì)量，本設(shè)備制造難點(diǎn)為管程側(cè)C71500材料管子管板接頭的焊接。

1 材料化學(xué)成分

C71500為70Cu-30Ni合金，主要成分為Cu、Ni，含少量的Mn和Fe，可以更好地防止海水腐蝕，限制雜質(zhì)元素Zn、C、Pb、S、P等可以提高熱電率和可焊性，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 C71500化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 材料力學(xué)性能和物理性能

銅鎳合金C71500比銅的強(qiáng)度高，但比鋼的強(qiáng)度低，具有良好的延性、韌性和成形能力，在低溫條件下無(wú)脆化現(xiàn)象并保持低溫韌性和強(qiáng)度，在加工硬化條件下強(qiáng)度會(huì)有一定的增加。C71500熔點(diǎn)為1230℃，密度為8.9 g/cm3，線(xiàn)膨脹系數(shù)為15.6×10-6/℃，室溫?zé)釋?dǎo)率31 W/(m·K)，電阻率為42×10-8/(Ω·m)，在高溫下具有較好的熱加工性能和良好的可焊性，在A(yíng)SME標(biāo)準(zhǔn)中，退火狀態(tài)的C71500最高設(shè)計(jì)溫度允許到371℃，其常溫力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 C71500力學(xué)性能

3 焊接性分析

C71500是銅和鎳的合金，由于Ni無(wú)限固溶于Cu中，因此C71500具有單一的α相組織。C71500合金不僅具有較好的綜合力學(xué)性能，而且還由于導(dǎo)熱性接近于碳鋼而變得容易焊接，焊前不需要預(yù)熱，焊后也不需要熱處理。C71500合金與低碳鋼相比有以下特點(diǎn)：

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

C71500合金的室溫導(dǎo)熱系數(shù)為29 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于C22000黃銅188 W/(m·K)以及純銅370 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)，C71500合金的導(dǎo)熱系數(shù)更接近碳鋼和低合金鋼材料，因此不需要像黃銅、純銅材料焊接需要進(jìn)行較高溫度的預(yù)熱，采用大的焊接規(guī)范參數(shù)焊接。C71500合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)為15.6×10-6/℃，與低碳鋼材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)11.6×10-6/℃相比約高了1.3倍，線(xiàn)膨脹系數(shù)的增加將導(dǎo)致焊接接頭收縮應(yīng)力增加，焊接部件更容易發(fā)生焊接變形[1]。

3.2 焊接熱裂紋敏感性

C71500中含約70%的Cu元素，焊接時(shí)Cu與Pb、Bi、O、S、P等雜質(zhì)元素形成低熔點(diǎn)共晶體，同時(shí)S、P元素與Ni也容易形成低熔點(diǎn)共晶體，焊縫結(jié)晶時(shí)低熔點(diǎn)共晶體在枝狀晶間或晶界處分布，使C71500合金具有明顯的熱脆性，尤其對(duì)S、P雜質(zhì)元素比較敏感，易形成熱裂紋。焊縫凝固至固態(tài)時(shí)，熱影響區(qū)的低熔點(diǎn)共晶體還處于液化狀態(tài)，受焊接應(yīng)力的作用而產(chǎn)生熱裂紋。此外，銅合金在冶煉時(shí)，氧作為雜質(zhì)元素存在于合金液態(tài)金屬中，在后續(xù)坯料加工和材料焊接時(shí)會(huì)以Cu2O氧化物的形式存在母材或焊縫金屬中，增加了熱裂紋的敏感性。有研究表明，焊縫金屬中Cu2O的含量超過(guò)0.2%，Pb的含量超過(guò)0.03%，Bi的含量超過(guò)0.005%時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生[2-5]。

從產(chǎn)品用材料C71500的化學(xué)成分來(lái)看，Pb元素含量?jī)H為0.003%，S元素含量?jī)H為0.005%，P元素含量?jī)H為0.002%，Bi元素含量低于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，近似為零，對(duì)比C71500材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雜質(zhì)元素的要求，材料實(shí)際的雜質(zhì)元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明材料純度較高，因Pb、Bi、S、P等雜質(zhì)元素引起的熱裂傾向比較小。Ti、Mn元素是良好的脫氧劑，采用含有Ti、Mn元素的焊材可提高焊縫的脫氧能力，達(dá)到脫氧的目的，同時(shí)對(duì)焊材中S、P雜質(zhì)元素的含量進(jìn)一步限制，可降低熱裂紋產(chǎn)生的幾率。

此外，銅合金在加熱過(guò)程中無(wú)同素異構(gòu)較變，晶粒長(zhǎng)大傾向嚴(yán)重，銅焊縫中的大晶粒和柱狀晶會(huì)使塑性下降，同時(shí)C71500線(xiàn)膨脹系數(shù)相對(duì)于低碳鋼較大，如果焊接接頭的應(yīng)力較大會(huì)增大接頭的熱裂紋敏感性。對(duì)于管子管板接頭焊接尤其要注意由于過(guò)大的焊接應(yīng)力產(chǎn)生熱裂紋的問(wèn)題。

3.3 焊接氣孔

氣孔是銅焊接的主要缺陷，銅對(duì)氫氣孔極其敏感。氫在銅中的過(guò)飽和程度遠(yuǎn)大于鋼，焊縫冷卻凝固時(shí)會(huì)有更多的氫來(lái)不及逸出而留在凝固的焊縫中成為氣孔[1-2]。由圖1可看出，液態(tài)銅中氫的溶解度與銅合金中的合金含量有關(guān)。銅中加入鈦、錳等強(qiáng)脫氧劑的元素或在銅合金中加入鋁、錫等元素都會(huì)獲得良好的效果，而銅中加入鎳，氫的溶解度會(huì)提高，而且合金含量越高[6]，對(duì)氫的溶解度的影響也越大，所以白銅的氣孔傾向應(yīng)比純銅高，因此如何避免氣孔的產(chǎn)生是焊接C71500材料的難點(diǎn)。

圖1 合金元素對(duì)氫溶解度的影響[7](1250℃)

綜上所述，C71500合金的焊接主要問(wèn)題是焊接熱裂紋和氫氣孔，為了保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)采取相應(yīng)措施來(lái)避免焊接熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生。

4 焊接方法的選擇

鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)和焊條電弧焊(SMAW)都可以用來(lái)焊接C71500合金。與SMAW焊接方法相比，GTAW具有電弧能量集中、熱影響區(qū)窄、熔池可見(jiàn)性好、焊縫成型質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，也避免了SMAW焊后脫渣困難的問(wèn)題，銅及銅合金焊接采用GTAW焊接方法更為合適。結(jié)合管子管板接頭形式及焊接位置，選擇GTAW焊接方法焊接管子管板焊接接頭，焊接保護(hù)氣體選擇了99.997%的純氬氣進(jìn)行保護(hù)。

5 焊材選擇

C71500合金焊接材料除了滿(mǎn)足材料力學(xué)性能、化學(xué)成分要求外，焊接材料中的雜質(zhì)元素含量要低，焊材自身要有一定的脫氧元素，通過(guò)控制雜質(zhì)元素以及提高脫氧能力來(lái)避免熱裂紋的產(chǎn)生。由于C71500材料本身不含脫氧元素，一般選擇含Ti 0.3%～0.5%為脫氧劑的白銅焊絲，焊絲中需要含有一定量的Mn作為主要的脫氧元素，焊接時(shí)受電弧高溫作用，Mn元素由于燒損而無(wú)法全部過(guò)渡到焊縫中，因此焊絲中Mn含量要比母材略高，以補(bǔ)償燒損的Mn；在銅鎳合金中，F(xiàn)e對(duì)焊縫起到強(qiáng)化作用，但會(huì)造成塑韌性降低，造成焊縫抗裂性下降，故焊絲中的Fe的含量不能過(guò)高[6]。嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P、Pb的含量可降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向，Cu、Ni含量及力學(xué)性能與母材相當(dāng)，根據(jù)以上原則，焊接C71500可選擇ASME SFA 5.7 ERCuNi焊絲，焊絲化學(xué)成分如表3所示。

表3 ERCuNi焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

6 焊接環(huán)境要求

對(duì)于C71500材料的制造環(huán)境有非?？量痰囊?，需要有獨(dú)立的潔凈生產(chǎn)車(chē)間，應(yīng)避免被碳鋼材料污染。材料表面的油脂、油漆、蠟筆標(biāo)識(shí)等，在焊接前都須去除，打磨用的砂輪片及不銹鋼絲刷需專(zhuān)用于C71500材料，不能應(yīng)用于其它材料。在焊接過(guò)程中焊件表面的不清潔會(huì)引起熱裂紋和氣孔，并且會(huì)影響接頭的耐蝕性能。為減少或消除焊縫中氣孔的產(chǎn)生其主要措施是減少氫的來(lái)源，焊前采用丙酮對(duì)焊接坡口及焊接區(qū)域母材表面進(jìn)行擦拭，保證無(wú)油污。如若金屬表面濕氣較大，可采用加熱的方法去除濕氣，降低氫的來(lái)源避免產(chǎn)生氣孔。

7 焊接工藝評(píng)定

7.1 管子管板評(píng)定

產(chǎn)品管子管板材料為SA-516 70復(fù)合SB-171 C71500，厚度為45 mm+8 mm，換熱管為SB-111 C71500，規(guī)格為?25.4 mm×3.4 mm，接頭采用強(qiáng)度焊加貼脹，坡口型式如圖2所示。產(chǎn)品焊接前須按ASME IX QW-193對(duì)管子管板接頭進(jìn)行模擬評(píng)定，試驗(yàn)用管板、換熱管材料同產(chǎn)品一致，焊接方法采用手工GTAW焊接方法。為避免出現(xiàn)液化裂紋，需采取加絲焊來(lái)控制熔池的脫氧反應(yīng)，但為了保證根部焊透需控制加絲量，因此第一層采用了?0.9 mm規(guī)格的細(xì)焊絲打底焊接，填充、蓋面焊接采用?1.6 mm規(guī)格的焊絲焊接，焊材型號(hào)、規(guī)格及焊接參數(shù)如表4所示，管子管板模擬接頭試驗(yàn)如圖3所示。

表4 管子管板接頭焊接參數(shù)

圖2 管子管板接頭型式

圖3 管子管板接頭模擬試驗(yàn)

7.2 管子管板接頭宏觀(guān)試驗(yàn)

對(duì)管子管板接頭進(jìn)行了100%PT+100%RT檢測(cè)，結(jié)果全部合格。對(duì)管子管板接頭按ASME IX QW-193要求進(jìn)行檢測(cè)，采用放大20倍的放大鏡對(duì)接頭進(jìn)行宏觀(guān)剖面檢查，根部熔合良好，無(wú)任何未焊透、未熔合、裂紋、氣孔等缺陷，焊縫尺寸滿(mǎn)足要求的最小泄漏通道大于0.9倍管壁厚及焊縫總高度不小于1.4b(b為管壁厚)，如圖4、圖5所示。

圖4 最小泄漏通道測(cè)量

圖5 焊腳高度測(cè)量

7.3 拉脫力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證管子管板焊接接頭滿(mǎn)足力學(xué)性能的要求，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)4個(gè)管頭進(jìn)行了拉脫力試驗(yàn)。管頭進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)后，4個(gè)試樣均斷于管子，具體拉脫力試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5中的拉脫力抗拉強(qiáng)度均大于材料標(biāo)準(zhǔn)要求的345 MPa，且未斷于焊縫及其熱影響區(qū)，證明焊接接頭具有合格的力學(xué)性能。

表5 拉脫力試驗(yàn)結(jié)果

7.4 焊接接頭微觀(guān)組織

為驗(yàn)證焊接參數(shù)對(duì)組織的影響，對(duì)管子管板接頭進(jìn)行了放大200倍的微觀(guān)組織分析，如圖6～10所示。

圖6 管板側(cè)母材組織

微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)分析：圖6為管板側(cè)C71500的微觀(guān)組織，組織為欒晶α單相再結(jié)晶組織；圖7為焊接后管板側(cè)熱影響區(qū)組織，與管板母材組織相比沒(méi)有明顯變化，晶粒大小沒(méi)有明顯改變，說(shuō)明焊接過(guò)程中熱輸入對(duì)管板顯微組織無(wú)明顯影響；圖8為管子側(cè)母材微觀(guān)組織，換熱管為冷軋加消應(yīng)力退火狀態(tài)，組織為細(xì)小的具有欒晶α單相再結(jié)晶等軸組織，但有較明顯的軋制過(guò)程中留下的帶狀結(jié)構(gòu)；圖9為焊接后管子側(cè)熱影響區(qū)的組織，由于管壁相對(duì)較薄，焊接過(guò)程對(duì)管側(cè)組織的影響較為明顯，α單相組織晶粒長(zhǎng)大，帶狀結(jié)構(gòu)基本消失，說(shuō)明焊接過(guò)程對(duì)管子相當(dāng)于再次進(jìn)行了退火；圖10焊縫組織為典型的樹(shù)枝狀晶[8]；以上組織均為正常組織，說(shuō)明焊接參數(shù)合理，沒(méi)有對(duì)材料性能造成明顯改變。

圖7 管板側(cè)熱影響區(qū)組織

圖8 管子側(cè)母材組織

圖9 管子側(cè)熱影響區(qū)組織

圖10 焊縫組織

8 產(chǎn)品管子管板焊接

管子管板焊接常采用手工GTAW或機(jī)械GTAW進(jìn)行焊接，為保證根部熔合良好和避免產(chǎn)生氣孔或裂紋缺陷，根據(jù)合格的模擬評(píng)定試驗(yàn)采用手工GTAW進(jìn)行產(chǎn)品管子管板接頭的焊接，焊前仔細(xì)清理管板面、坡口及管頭至少50 mm范圍內(nèi)的油脂等雜質(zhì)，確保接頭干凈、干燥。焊前無(wú)需點(diǎn)焊定位，按合格的模擬評(píng)定參數(shù)焊接第一層后進(jìn)行氦檢全部合格，再進(jìn)行其余層的焊接，合格后進(jìn)行貼脹，并對(duì)接頭進(jìn)行20%RT+100%PT檢測(cè)，RT結(jié)果顯示只有3個(gè)管頭出現(xiàn)了少量氣孔，焊接一次合格率達(dá)到了99%，3個(gè)管頭經(jīng)返修后合格。產(chǎn)品管子管板接頭如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品管子管板接頭

9 結(jié)論

通過(guò)對(duì)C71500銅鎳合金材料性能分析和試驗(yàn)以及再沸器管子管板焊接的成功應(yīng)用，得到的結(jié)論如下：

(1)C71500材料與純銅、黃銅材料相比，具有良好的焊接性，但同樣具有一定的焊接熱裂紋敏感性和氫氣孔傾向。采用化學(xué)成分及力學(xué)性能與C71500母材相當(dāng)，并含Ti、Mn脫氧元素及雜質(zhì)元素S、P、Pb低的ERCuNi焊絲可降低焊接熱裂紋。

(2)C71500材料導(dǎo)熱系數(shù)小，焊前不需要預(yù)熱，焊接適合采用能量集中的GTAW焊接方法焊接。

(3)焊前需對(duì)母材清洗，是減少氣孔產(chǎn)生的重要措施。

(4)C71500管子管板采用GTAW焊接方法焊接，選擇?0.9 mm規(guī)格細(xì)焊絲打底，可更好地保證根部焊透。模擬評(píng)定的宏觀(guān)試驗(yàn)、拉脫力試驗(yàn)、微觀(guān)組織試驗(yàn)的合格，證明了焊接工藝方案和焊接工藝參數(shù)的可靠性。