薄壁銅鎳管線環焊縫裂紋分析及預防

史忠珂，程晉宜，侯宇，楊慶澤，陸傳航

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

銅鎳合金（白銅）是一種海水系統常用的金屬材料，具有耐海水、海生物腐蝕等優點，在國內海洋石油鉆井平臺[1]（如消防水管線系統）中經常采用。

目前，UNS C70600銅鎳管線的焊接主要采用鎢極氬弧焊，通過適當調節焊接參數，可以保證較好的接頭性能和正反面良好的成形效果[2-4]。在銅合金的焊接中，極易出現氣孔和裂紋這兩種焊接缺陷，然而，對于有色金屬的焊接施工，最常見的缺陷還是焊接裂紋。在銅鎳管線的車間預制階段中發現，厚2.5mm薄壁銅鎳管線焊接完成后，在焊腳位置出現了裂紋，如圖1所示。

圖1 管線及裂紋形貌

裂紋的出現會對工程施工產生不利影響，因此本文通過宏觀形貌、微觀金相組織及斷口掃描電鏡分析等，對裂紋產生原因進行了判定，并結合以往施工的良好做法，確定了改進措施，成功避免了后續裂紋的出現。

2 檢測結果

2.1 化學成分分析

樣品母材為UNS C70600，通過現場鋸開的管段精確追溯裂紋管的批次信息，經查UNS C70600 管所有批次的供貨材料產品質量證明和檢驗報告均符合標準要求。

通過對開裂試樣進行觀察發現，開裂斷口已經失去金屬光澤，發生開裂的地方有明顯的氧化顏色，符合熱裂紋的基本特征。通常產生裂紋[2，3]的主要原因是焊接接頭中存在低熔點雜質或晶界中析出影響接頭韌性的金屬間化合物。文獻檢索表明：當母材和焊接材料內wP＋S≤0.02%、wZn≤0.5%、wPb≤0.02%、wC≤0.05%時，焊接熱影響區的熱裂紋基本不會出現。焊接過程中使用的焊接材料為林肯LNT CuNi30，制造標準為AWS A5.7 ER CuNi。為驗證母材和焊接材料成分是否存在元素超標或其他雜質，對出現斷裂的銅鎳管線母材進行了化學成分分析，結果見表1、表2。通過與標準數值的對比可發現，主要微量元素種類及含量未見明顯異常，均在合理范圍之內，特別是P、S元素的含量極低。

表1 母材化學成分（質量分數） （%）

表2 焊接材料化學成分（質量分數） （%）

2.2 金相分析

在開裂試樣裂紋段的中間截取金相試樣，進行金相組織分析，其焊縫、熱影響區及母材區域金相組織如圖2所示，金相組織和晶粒度結果見表3。

表3 金相組織及晶粒度結果

圖2 金相組織

由表3可知，焊縫和熱影響區的金相組織和晶粒度均符合要求，沒有存在異常。

2.3 裂紋分析

金相試樣顯示裂紋均位于焊縫的熱影響區，距熔合線存在一定距離，裂紋沿熔合線方向擴展，未貫穿整個壁厚，裂紋整體形貌如圖3所示。

圖3 裂紋整體形貌

浸蝕后對裂紋放大，通過整體觀察可發現，裂紋擴展呈沿晶+穿晶混合特征，以沿晶擴展為主，裂紋擴展尖端主要呈沿晶開裂特征，裂紋微觀形貌如圖4所示。

圖4 裂紋微觀形貌

將斷口試樣切開后置于掃描電鏡下觀察，低倍下觀察原始斷口整體呈現沿晶形貌，放大后觀察斷口大部分區域沿晶特征明顯。進一步放大后觀察，晶面上有明顯的熔融特征，晶界產生明顯寬化，局部晶面上存在類自由結晶表面，如圖5所示。對斷口進行能譜分析，其結果見表4。測試結果顯示，試樣斷口wO偏高，說明焊接過程的氬氣保護不到位，與接頭存在一定的氧化特征相符合。

表4 試樣斷口能譜分析結果

圖5 試樣斷口形貌

對斷口試樣開展XRD測試，結果如圖6所示。

圖6 開裂試樣XRD測試結果

根據測試結果得知，除了C u 以外，還有CuFe2S3相、CuFeS2相存在。這些二次相作為裂紋的形核點，會嚴重弱化晶粒之間的結合力并增加裂紋的敏感性。由于銅的導熱系數、膨脹系數大，因此焊接過程存在較大焊接應力形成液化裂紋。一般雜質元素混入主要是焊接過程清潔不到位導致的。

綜合以上所有測試結果，可以得出以下結論。

1）裂紋類型判斷為熱裂紋。

2）裂紋附近存在氧化色，證明焊接過程中氣體保護效果偏差。

3）斷口存在晶界熔融特征，焊接熱輸入過大。

4）CuFe2S3、CuFeS2等二次相降低了晶界結合強度。

3 解決措施

針對以上測試得出的裂紋產生原因，通過梳理焊接過程，制定了如下相應對策。

1）提高氬氣純度。目前使用的焊接保護氣為氬氣，純度為99.99%，后續焊接將使用純度為99.999%的氬氣作為焊接保護氣。

2）焊槍內采用大噴嘴加氣體分配器以加強保護。

3）針對焊接過程熱輸入過大的情況，需嚴格控制坡口尺寸，具體尺寸要求如下：①坡口鈍邊0.5～2mm，錯邊量≤0.5mm。②壁厚T＜2.5mm時，不留裝配間隙。③壁厚2.5mm≤T＜5mm時，裝配間隙為（2±1）mm。④壁厚T≥5mm時，裝配間隙為（3±1）mm。

4）焊接過程控制熱輸入為1.0～1.5kJ/mm。打底焊道采用填絲工藝，單面焊雙面成形，背面氬氣保護，采用多層多道焊時，層道間溫度為150℃。

5）焊接過程使用酒精或丙酮對焊絲及母材以及層間焊道進行清潔，避免含P、S等元素的雜質進入焊縫。

4 效果驗證

為驗證解決措施是否有效，選取相同尺寸的試樣，采用以上控制措施焊接了兩組試件。焊接接頭按照NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》 要求進行X射線檢測，結果為I級合格，未發現裂紋、氣孔、夾渣等缺陷（見圖7）。

圖7 X 射線檢測結果

以上措施已在工程項目中推廣使用，截至項目完工并未出現焊接熱裂紋，質量提升效果明顯。

5 結束語

本文通過對出現焊接裂紋的薄壁銅鎳管線斷裂接頭開展顯微鏡掃查、化學成分分析、微觀組織分析，得出了產生裂紋的原因，同時又針對性地制定了相應的措施，結論如下。

1）銅鎳管線出現的帶有氧化色的裂紋為焊接熱裂紋，且裂紋是由焊接過程氣體保護效果偏差造成氧化，焊接過程熱輸入量偏大以及形成含有S等雜質的二次相引起的。

2）通過提升保護氣體純度、降低焊接熱輸入以及注重焊接全過程清潔等3種措施共同使用，可以有效地避免焊接裂紋的產生。