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制工作，管子零件的規(guī)格尺寸多且形狀復雜，在制作時與相關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，在前期生產過程中發(fā)現(xiàn)，管子內外焊縫成形較差，有焊瘤、未焊透、穿絲等多種缺陷，造成焊縫返修而影響生產進度，如圖1所示。為保證焊接質量并提高工作效率，對銅鎳管的性能特點等進行分析，優(yōu)化改進原施工工藝并進行直流脈沖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性能特點

銅鎳管屬于銅合金的一種，是國際上公認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，但經過海水浸泡后同樣可以形成富鎳富鐵的表面膜，經過一段時間后其耐蝕性可接近B30管，生產成本大幅降低[1-2]。因此，結合其優(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)化學成分(質量分數(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焊進行焊接，能夠達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，其標準符合AWS A5.7 ERCuNi[3]。焊絲化學成分如表2所示。

表2 70CuNi焊絲化學成分(質量分數(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、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?shù)拿}沖頻率和占空比與之匹配。當峰值電流通過時，工件被加熱熔化形成一個點狀熔池，而當基值電流通過時，熔池冷凝結晶，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)格的管子進行直流脈沖TIG焊接試驗，焊接設備與材料如表3所示。由于管件制作主要以車間預制為主，焊接試驗位置為1G。

表3 焊接設備與焊接材料

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，應使用不銹鋼鋼絲刷或砂紙把管口內外兩側約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、夾渣缺陷的產生。

(2) 在裝配定位時，應在管內進行充氬保護，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，以免產生夾鎢缺陷。

(4) 引、熄弧必須在坡口內進行。

(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。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)同樣用此方式進行封閉，在另一端板上打1個小孔，利于管內空氣的排出，如圖5所示。當拼裝的管子有較多接頭時，一般先焊接離充氣側最近的接頭，可有效保證管內氬氣純度，保護焊縫不被氧化。

圖4 管內充氣

圖5 管內空氣排放

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

(7) 起弧后用脈沖電流對管子進行預熱，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，當熔池金屬稍有下沉時，表明已焊透。在峰值電流時應立即填絲，當轉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，應待8～12個脈沖預熱后，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，則應去掉氧化的端頭后再進行焊接。

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

(10) 熄弧時應把焊槍轉至坡口側熄弧，或者后退5～10 mm熄弧，防止產生縮孔現(xiàn)象。不應在熄弧后立即抬起焊槍，應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置為5～8 s。

(11) 接頭處理。焊縫頭頭連接時不應直接在接頭處連接，應往后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在打底焊道結束后、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VT檢測，試驗的3組管子內外焊縫成形良好，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RT檢測，均符合NB/T 47013.2-2015，結果合格；經整體尺寸精度檢測，滿足工藝要求。

圖7 Φ133 mm×3 mm管內外成形

圖8 Φ89 mm×2 mm管內外成形

圖9 Φ44.5 mm×1.5 mm管內外成形

3 結 論

經焊接試驗對比，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)約了生產成本。

4 實船應用

此工藝經試驗認可后，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。