油管路銅管與不銹鋼管焊接工藝及性能

供稿|李艷，何峰，孫昊，謝龍

內(nèi)容導(dǎo)讀 銅與不銹鋼在物理性能和化學(xué)性能方面存在很大的差別，兩者之間焊接性較差。本文采用合理的氬弧焊工藝進(jìn)行了油管路中銅管與不銹鋼管之間的焊接，其焊縫成型良好，焊后檢驗(yàn)合格，焊縫橫截面照片顯示焊縫區(qū)金屬固溶為一體，熔合線清晰。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果中拉伸和彎曲檢驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

鋼是金屬結(jié)構(gòu)中最常用的材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如穩(wěn)定的力學(xué)性能、良好的焊接性、熱穩(wěn)定性等。銅及銅合金都具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，而且有一定的強(qiáng)度和良好的加工性能[1]，有些銅合金還具有較高的強(qiáng)度和耐蝕性。鋼與銅及銅合金的連接可以充分發(fā)揮各自的性能與特點(diǎn)，達(dá)到物盡其用的效果，并且可以大大節(jié)省材料，降低成本。目前公司某產(chǎn)品油管路中出現(xiàn)了銅與不銹鋼的焊接結(jié)構(gòu)。新的焊接結(jié)構(gòu)需要對(duì)其焊接性進(jìn)行詳細(xì)的研究，針對(duì)此焊接結(jié)構(gòu)，我們選擇合適的焊接材料、焊接方法并優(yōu)化焊接工藝，最終得出滿足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)良焊縫。

實(shí)驗(yàn)

材料

新開(kāi)發(fā)油管路中的銅管材料為TP1，不銹鋼管材料為06Cr19Ni10，兩者規(guī)格均為?22 mm×2 mm（外徑×壁厚）。TP1 和06Cr18Ni9 的化學(xué)成分分別如表1 和表2 所示。

表1 銅管TP1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 06Cr19Ni10 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

焊接

焊接性分析

鐵–銅相圖如圖1 所示。鐵與銅在液態(tài)時(shí)互相無(wú)限固溶。兩者在固態(tài)時(shí)有限固溶，不形成金屬間化合物；當(dāng)鐵向銅擴(kuò)散時(shí)，形成有限溶解度的ε 相固溶體。在1094 ℃ 時(shí)，鐵在銅中的溶解度為4%，650 ℃ 時(shí)鐵在銅中的溶解度為0.2%，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，溶解度將無(wú)明顯變化。而鐵和銅在高溫時(shí)的原子半徑、晶格類型和晶格常數(shù)以及原子的外層電子數(shù)等比較接近，這對(duì)原子間擴(kuò)散是較為有利的因素，有利焊接連接。但是鐵和銅在熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和力學(xué)性能等物理性能方面的差異仍會(huì)給焊接造成許多困難。比如：銅的線膨脹系數(shù)比鐵大40%左右，鐵-銅合金的結(jié)晶溫度區(qū)間很大（約為300～400 ℃），加之又容易形成（Cu+Cu2O）、（Ni+Ni3S2）、（Fe+FeS）等多種低熔點(diǎn)共晶成分，這些共晶體將導(dǎo)致兩者之間的焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫中Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.1%時(shí)，焊縫組織呈粗大的α 單相組織，抗裂性很差；隨著鐵含量的增加，焊縫逐步變?yōu)椋é?ε）雙相組織，特別當(dāng)Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～43%時(shí)，焊縫抗裂性最好[2]。

圖1 鐵–銅二元相圖[2]

液態(tài)的銅或銅合金對(duì)近焊縫區(qū)鋼的晶界有著較強(qiáng)的滲透作用。在應(yīng)力作用下易形成滲透裂紋。大量實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，含Ni、Si、Al 的銅合金或其焊縫中加入V、Ti、Mn 等元素，可有效降低滲透裂紋傾向，比如Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于16%的碳鋼焊縫就不會(huì)產(chǎn)生滲透裂紋。而含錫的青銅卻會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的滲透裂紋現(xiàn)象。另外，鋼的組織狀態(tài)也是重要，比如液態(tài)銅不能浸潤(rùn)鐵素體，卻可以浸潤(rùn)奧氏體。所以銅與單相奧氏體鋼焊接容易產(chǎn)生滲透裂紋，而與奧氏體-鐵素體雙相鋼焊接就不容易產(chǎn)生滲透裂紋。

鐵與銅及銅合金焊接存在的問(wèn)題主要有以下3 個(gè)方面[3]：焊縫易產(chǎn)生熱裂紋；熱影響區(qū)產(chǎn)生銅的滲透裂紋；焊接接頭力學(xué)性能降低。

針對(duì)上述銅與鐵的焊接特點(diǎn)，需要制定詳細(xì)的焊接工藝，進(jìn)行油管路中銅管與不銹鋼管之間的焊接連接。

焊接工藝

針對(duì)上述特點(diǎn)，我們采用可獲得良好焊接接頭的氬弧焊方法來(lái)焊接油管路中的不銹鋼管與銅管。焊接參數(shù)如表3 所示。

表3 銅管TP1 與不銹鋼管06Cr19Ni0 焊接參數(shù)

對(duì)于焊材選用：若采用不銹鋼焊縫，則當(dāng)焊縫含銅量達(dá)到一定比例時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋；若采用銅焊縫，則由于焊縫中溶入了Ni、Cr、Fe 等元素而使焊縫金屬變硬、變脆，或者銅滲入不銹鋼側(cè)近縫區(qū)奧氏體晶界也會(huì)使接頭變脆。本實(shí)驗(yàn)采用了與銅、鐵均無(wú)限固溶的第3 種材料：鎳基合金焊絲作為填充金屬進(jìn)行焊接，保證其焊接性，并將獲得較高的接頭強(qiáng)度和塑性。焊絲成分如表4 所示。

表4 鎳基焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

此外，也可以用鎳或鎳基合金作為中間過(guò)渡層，來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼與銅或銅合金的焊接[4]。另外在焊接過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格注意以下操作：

1）焊件接頭處銅管一側(cè)不開(kāi)坡口，而在不銹鋼管一側(cè)開(kāi)單V 形坡口。

2）采用氬弧焊（TIG）方法焊接時(shí)，因?yàn)殂~的熱導(dǎo)率大，鎢極電弧必須偏離不銹鋼一側(cè)，而指向銅一側(cè)，距坡口中心約為5～8 mm，以控制不銹鋼的熔化量。

3）選擇鎳基焊材作為填充材料。目的是為了改善焊縫金屬的力學(xué)性能和防止產(chǎn)生銅滲透裂紋。

4）選擇合適的焊接技法：采用快速、不擺動(dòng)的焊法。

5）本焊接方法本質(zhì)上是一種氬弧焊-釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側(cè)的熔化量。對(duì)不銹鋼來(lái)說(shuō)是屬于釬焊焊接，而對(duì)銅一側(cè)來(lái)說(shuō)是屬于熔焊連接。

6）焊接過(guò)程中采用脈沖電流，降低焊接過(guò)程中銅側(cè)的熱輸入，防止銅的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

結(jié)果及討論

外觀及無(wú)損檢測(cè)。

通過(guò)上述的工藝優(yōu)化后可得到優(yōu)良的銅與不銹鋼的焊縫，避免了銅與鋼之間焊接易出現(xiàn)的各種問(wèn)題。圖2 為焊接試件的外部形貌的照片，在照片中可以看出焊縫表面形貌良好，成型漂亮。按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.2—2015 射線檢驗(yàn)焊縫達(dá)到I 級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 焊件外部形貌照片

宏觀檢測(cè)

圖3 為焊接試件的焊縫橫截面照片，從圖中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無(wú)裂紋，無(wú)其他焊接缺陷。從銅合金側(cè)可以看出，銅與焊材鎳基合金固溶為一體，熔合線清晰，焊縫成型良好。

圖3 焊件焊縫橫截面形貌照片

力學(xué)性能

將管件進(jìn)行整管拉伸。共取樣兩根，進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得出抗拉強(qiáng)度分別為223 和218 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)最低抗拉強(qiáng)度197 MPa，且試樣均斷裂為母材處。將整管均分4 部分，進(jìn)行面彎和背完實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均無(wú)裂紋。說(shuō)明焊接接頭的力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求，得到優(yōu)良的焊縫。

結(jié)論

1）采用鎢極氬弧焊方法，鎳基合金Cu–Ni 焊絲作為焊接材料，實(shí)現(xiàn)了油管路銅管與不銹鋼管之間的焊接。通過(guò)優(yōu)化后的工藝，得到了表面成型優(yōu)良、無(wú)缺陷的焊縫。

2）本焊接方法本質(zhì)上是一種氬弧焊–釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側(cè)的熔化量。對(duì)不銹鋼來(lái)說(shuō)是屬于釬焊焊接，而對(duì)銅一側(cè)來(lái)說(shuō)是屬于熔焊連接。

3）從焊縫橫截面形貌照片中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無(wú)裂紋，銅與鎳基焊材固溶為一體。

4）通過(guò)拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，銅與不銹鋼的焊接接頭的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)之中。