黃 震， 吳 剛， 張建剛

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰 214433)

0 引 言

在某型系列船的建造中有大量的銅鎳管預(yù)制工作，管子零件的規(guī)格尺寸多且形狀復(fù)雜，在制作時與相關(guān)附件的連接主要通過松套對焊法蘭、定型彎頭、三通以及異徑接頭等，接頭形式為對接接頭。依據(jù)施工工藝要求，焊接方式采用手工直流鎢極惰性氣體(Tungsten Inert Gas, TIG)焊。然而，在前期生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，管子內(nèi)外焊縫成形較差，有焊瘤、未焊透、穿絲等多種缺陷，造成焊縫返修而影響生產(chǎn)進(jìn)度，如圖1所示。為保證焊接質(zhì)量并提高工作效率，對銅鎳管的性能特點等進(jìn)行分析，優(yōu)化改進(jìn)原施工工藝并進(jìn)行直流脈沖TIG焊工藝試驗。

圖1 直流TIG焊常見缺陷

1 銅鎳管的性能特點與焊接性

1.1 銅鎳管的物理及化學(xué)性能特點

銅鎳管屬于銅合金的一種，是國際上公認(rèn)的耐海水腐蝕性能優(yōu)良的銅合金，其線膨脹系數(shù)介于鋼與黃銅之間、與奧氏體不銹鋼相近，與紫銅焊接相比，焊前在常溫下不需要預(yù)熱。其鎳含量有10%、20%、30%等，船用銅鎳管一般是以鎳含量10%為主，又可稱為B10管。在其合金中加入鐵元素，俗稱鐵白銅，牌號為CuNi10Fe1.6Mn，化學(xué)成分如表1所示。B10管與含鎳30%的B30管相比，雖鎳含量較少，但經(jīng)過海水浸泡后同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜，經(jīng)過一段時間后其耐蝕性可接近B30管，生產(chǎn)成本大幅降低[1-2]。因此，結(jié)合其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能，特別是抗流動海水腐蝕能力與其管壁薄、重量輕、強度高等特點，在海水冷卻系統(tǒng)中正逐漸替代鍍鋅鐵管。

表1 銅鎳管(CuNi10Fe1.6Mn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 銅鎳管的TIG焊接性分析

由于銅鎳管的合金成分較高、管壁較薄，焊接時收縮變形大，工藝要求為單面焊雙面成形，通常選擇能量密度集中、焊接變形小的直流TIG焊進(jìn)行焊接，能夠達(dá)到單面焊雙面成形的要求，同時有助于控制焊接變形。

在焊接時的高溫作用下，母材中的鎳元素會有一定的燒損而造成接頭耐蝕性降低，因此選擇鎳含量為30%的70CuNi焊絲作為填充以提高接頭的耐蝕性，其標(biāo)準(zhǔn)符合AWS A5.7 ERCuNi[3]。焊絲化學(xué)成分如表2所示。

表2 70CuNi焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 直流脈沖TIG焊工藝試驗

2.1 直流TIG與直流脈沖TIG焊的特點

直流TIG焊的特點是電流單一恒定、電弧連續(xù)而穩(wěn)定、能量集中、采用惰性氣體保護(hù)、操作靈活。由于電弧能量集中，在焊接銅鎳管時熔池溫度上升速度快，加大了控制熔池溫度、形狀及大小的難度，焊接熱輸入較難控制，加之熔池中鎳含量較高使熔池的流動性變差，若焊速過快或過慢，易在接頭中產(chǎn)生各種缺陷。

相對于采用恒定電流的直流TIG焊，直流脈沖TIG焊采用可控的脈沖電流加熱工件，脈沖電流主要由基值電流+峰值電流組成，并有適當(dāng)?shù)拿}沖頻率和占空比與之匹配。當(dāng)峰值電流通過時，工件被加熱熔化形成一個點狀熔池，而當(dāng)基值電流通過時，熔池冷凝結(jié)晶，同時維持電弧燃燒而不熄滅，焊接過程是一個斷續(xù)的加熱過程，焊縫由一個一個點狀熔池疊加而成。電弧是脈動的，有明亮和暗淡的閃爍現(xiàn)象，并且脈沖還有良好的攪拌熔池作用，使合金元素分布更均勻，焊縫強韌性更好，焊接應(yīng)力引起的變形顯著減少[4]。這些特點有利于焊接銅鎳管時更好地控制焊接熱輸入與焊接變形。

2.2 工藝試驗

分別對Φ133 mm×3 mm、Φ89 mm×2 mm、Φ44.5 mm×1.5 mm等3種規(guī)格的管子進(jìn)行直流脈沖TIG焊接試驗，焊接設(shè)備與材料如表3所示。由于管件制作主要以車間預(yù)制為主，焊接試驗位置為1G。

表3 焊接設(shè)備與焊接材料

2.2.1 坡口形式與組對

坡口打磨采用手工方式，管壁厚度≤2 mm，一般不開坡口，管壁>2 mm時，管端單面坡口角度為30°±5°。由于手工打磨對管端的垂直度有一定影響，焊縫間隙控制在0～1 mm。具體組對形式如圖2和圖3所示。

圖2 管壁≤2 mm 坡口組對形式

圖3 管壁>2 mm坡口組對形式

2.2.2 焊接參數(shù)

經(jīng)過多次焊接試驗后，決定：管壁≤2 mm的，采用單層單道焊、雙面成形；管壁>2 mm的，采用打底與蓋面兩層兩道焊，打底層采用直流脈沖，蓋面層為直流無脈沖。具體焊接參數(shù)分別如表4和表5所示。

表4 管壁≤2 mm脈沖TIG焊接參數(shù)

表5 2 mm<管壁≤4 mm脈沖與直流TIG焊接參數(shù)

2.3 工藝要點

(1) 在裝配前，應(yīng)使用不銹鋼鋼絲刷或砂紙把管口內(nèi)外兩側(cè)約20 mm范圍清理干凈，露出金屬光澤，不得有毛刺、油脂油污、氧化皮等對焊接有害的污染物，可有效防止氣孔、夾渣缺陷的產(chǎn)生。

(2) 在裝配定位時，應(yīng)在管內(nèi)進(jìn)行充氬保護(hù)，以免定位焊縫被氧化而造成氣孔、夾渣缺陷，可不加絲或加少量焊絲進(jìn)行定位。

(3) 采用高頻引弧，不得使用鎢針在管子上劃擦引弧，以免產(chǎn)生夾鎢缺陷。

(4) 引、熄弧必須在坡口內(nèi)進(jìn)行。

(5) 根據(jù)管徑大小、長度估算充氬時間，保持焊接全過程充氬保護(hù)。由于采取無間隙組對，無需用鋁箔膠帶包扎焊縫。管子任意一端的對焊環(huán)與打孔的薄鋼板可用夾子夾住并塞入充氣氣管，如圖4所示；另一端或其他端部的對焊環(huán)同樣用此方式進(jìn)行封閉，在另一端板上打1個小孔，利于管內(nèi)空氣的排出，如圖5所示。當(dāng)拼裝的管子有較多接頭時，一般先焊接離充氣側(cè)最近的接頭，可有效保證管內(nèi)氬氣純度，保護(hù)焊縫不被氧化。

圖4 管內(nèi)充氣

圖5 管內(nèi)空氣排放

(6) 在焊接前，需設(shè)置3～5 s的預(yù)氣時間，有利于起弧前排除焊槍內(nèi)部和焊接區(qū)周圍空氣。

(7) 起弧后用脈沖電流對管子進(jìn)行預(yù)熱，需注意觀察熔池大小與溫度變化。對于管壁厚度<2 mm的管子，約3～5個脈沖后，當(dāng)熔池金屬稍有下沉?xí)r，表明已焊透。在峰值電流時應(yīng)立即填絲，當(dāng)轉(zhuǎn)換到基值電流時焊槍向上(前)移動。對于管壁厚度>2 mm的管子，應(yīng)待8～12個脈沖預(yù)熱后，方可同上操作。

(8) 在焊接過程中，焊絲端部不得脫離氬氣保護(hù)范圍，防止端頭氧化后繼續(xù)焊接而使焊縫出現(xiàn)氣孔、夾渣缺陷。若端頭已氧化，則應(yīng)去掉氧化的端頭后再進(jìn)行焊接。

(9) 在焊接時，在最后一條焊縫收尾前應(yīng)把管子另一端封閉的小孔打開，避免管內(nèi)充氬壓力過大造成焊縫內(nèi)凹或熔池被管內(nèi)保護(hù)氣沖破等缺陷。

(10) 熄弧時應(yīng)把焊槍轉(zhuǎn)至坡口側(cè)熄弧，或者后退5～10 mm熄弧，防止產(chǎn)生縮孔現(xiàn)象。不應(yīng)在熄弧后立即抬起焊槍，應(yīng)讓熔池在延遲氣體釋放中緩慢凝固，等氣體釋放完畢后方可移除焊槍，一般延遲氣體時間設(shè)置為5～8 s。

(11) 接頭處理。焊縫頭頭連接時不應(yīng)直接在接頭處連接，應(yīng)往后5～10 mm開始引弧。由于接頭處焊縫厚，需多等待幾個脈沖，待焊縫開始熔化后加少量焊絲，緩慢往前移動，至正式接頭處開始正常焊接。尾尾連接時要蓋過焊縫5～10 mm，填滿弧坑。如圖6所示。

圖6 接頭示例

(12) 在焊接過程中如出現(xiàn)缺陷(如打鎢現(xiàn)象)，應(yīng)立即停止焊接，使用不銹鋼專用磨片清除缺陷后方可繼續(xù)焊接。

(13) 管子焊接完成后應(yīng)用不銹鋼鋼絲刷清除焊縫表面的氧化物。對于兩層焊道的焊縫應(yīng)在打底焊道結(jié)束后、清除焊縫表面黑色氧化物后方可繼續(xù)蓋面層焊接，這有利于蓋面時熔池對坡口兩邊的咬合，防止出現(xiàn)咬邊、夾渣缺陷。

2.4 焊后檢驗

經(jīng)VT檢測，試驗的3組管子內(nèi)外焊縫成形良好，高度均勻，無縮孔、焊瘤、未焊透、未熔合等缺陷，分別如圖7～圖9所示；經(jīng)RT檢測，均符合NB/T 47013.2-2015，結(jié)果合格；經(jīng)整體尺寸精度檢測，滿足工藝要求。

圖7 Φ133 mm×3 mm管內(nèi)外成形

圖8 Φ89 mm×2 mm管內(nèi)外成形

圖9 Φ44.5 mm×1.5 mm管內(nèi)外成形

3 結(jié) 論

經(jīng)焊接試驗對比，在焊接銅鎳管時使用直流脈沖TIG焊比使用直流TIG焊具有更大優(yōu)勢。

(1) 采用脈沖電流可減少焊接電流平均值，降低焊件的熱輸入，有效控制熔池溫度與形狀，減少合金元素的燒損，提高焊接接頭的使用性能。

(2) 通過脈沖起到熔化焊絲和母材的作用，這樣既可保證焊透、不出現(xiàn)未熔合及未焊透缺陷，又可避免燒穿。

(3) 在脈沖的作用下會形成外觀良好的魚鱗紋焊縫。

(4) 由于使用了脈沖焊接，在生產(chǎn)制作時可以采取無間隙組對，與原來留間隙并采取夾具組對的方式相比，裝配效率提高了100%，精度也得到了有效保證，并且減少了封閉焊縫的鋁箔膠帶的使用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4 實船應(yīng)用

此工藝經(jīng)試驗認(rèn)可后，已在某型船的后續(xù)建造以及其他多型修理與改裝船舶中的銅鎳管制作中得到推廣應(yīng)用，焊縫成形良好，X光射線檢測100%合格，焊接缺陷顯著減少，對外交驗均一次通過，水密強度試驗無一滲漏。