薄壁铜镍管线环焊缝裂纹分析及预防

史忠珂，程晋宜，侯宇，杨庆泽，陆传航

海洋石油工程（青岛）有限公司 山东青岛 266520

1 序言

铜镍合金（白铜）是一种海水系统常用的金属材料，具有耐海水、海生物腐蚀等优点，在国内海洋石油钻井平台[1]（如消防水管线系统）中经常采用。

目前，UNS C70600铜镍管线的焊接主要采用钨极氩弧焊，通过适当调节焊接参数，可以保证较好的接头性能和正反面良好的成形效果[2-4]。在铜合金的焊接中，极易出现气孔和裂纹这两种焊接缺陷，然而，对于有色金属的焊接施工，最常见的缺陷还是焊接裂纹。在铜镍管线的车间预制阶段中发现，厚2.5mm薄壁铜镍管线焊接完成后，在焊脚位置出现了裂纹，如图1所示。

图1 管线及裂纹形貌

裂纹的出现会对工程施工产生不利影响，因此本文通过宏观形貌、微观金相组织及断口扫描电镜分析等，对裂纹产生原因进行了判定，并结合以往施工的良好做法，确定了改进措施，成功避免了后续裂纹的出现。

2 检测结果

2.1 化学成分分析

样品母材为UNS C70600，通过现场锯开的管段精确追溯裂纹管的批次信息，经查UNS C70600 管所有批次的供货材料产品质量证明和检验报告均符合标准要求。

通过对开裂试样进行观察发现，开裂断口已经失去金属光泽，发生开裂的地方有明显的氧化颜色，符合热裂纹的基本特征。通常产生裂纹[2，3]的主要原因是焊接接头中存在低熔点杂质或晶界中析出影响接头韧性的金属间化合物。文献检索表明：当母材和焊接材料内wP＋S≤0.02%、wZn≤0.5%、wPb≤0.02%、wC≤0.05%时，焊接热影响区的热裂纹基本不会出现。焊接过程中使用的焊接材料为林肯LNT CuNi30，制造标准为AWS A5.7 ER CuNi。为验证母材和焊接材料成分是否存在元素超标或其他杂质，对出现断裂的铜镍管线母材进行了化学成分分析，结果见表1、表2。通过与标准数值的对比可发现，主要微量元素种类及含量未见明显异常，均在合理范围之内，特别是P、S元素的含量极低。

表1 母材化学成分（质量分数） （%）

表2 焊接材料化学成分（质量分数） （%）

2.2 金相分析

在开裂试样裂纹段的中间截取金相试样，进行金相组织分析，其焊缝、热影响区及母材区域金相组织如图2所示，金相组织和晶粒度结果见表3。

表3 金相组织及晶粒度结果

图2 金相组织

由表3可知，焊缝和热影响区的金相组织和晶粒度均符合要求，没有存在异常。

2.3 裂纹分析

金相试样显示裂纹均位于焊缝的热影响区，距熔合线存在一定距离，裂纹沿熔合线方向扩展，未贯穿整个壁厚，裂纹整体形貌如图3所示。

图3 裂纹整体形貌

浸蚀后对裂纹放大，通过整体观察可发现，裂纹扩展呈沿晶+穿晶混合特征，以沿晶扩展为主，裂纹扩展尖端主要呈沿晶开裂特征，裂纹微观形貌如图4所示。

图4 裂纹微观形貌

将断口试样切开后置于扫描电镜下观察，低倍下观察原始断口整体呈现沿晶形貌，放大后观察断口大部分区域沿晶特征明显。进一步放大后观察，晶面上有明显的熔融特征，晶界产生明显宽化，局部晶面上存在类自由结晶表面，如图5所示。对断口进行能谱分析，其结果见表4。测试结果显示，试样断口wO偏高，说明焊接过程的氩气保护不到位，与接头存在一定的氧化特征相符合。

表4 试样断口能谱分析结果

图5 试样断口形貌

对断口试样开展XRD测试，结果如图6所示。

图6 开裂试样XRD测试结果

根据测试结果得知，除了C u 以外，还有CuFe2S3相、CuFeS2相存在。这些二次相作为裂纹的形核点，会严重弱化晶粒之间的结合力并增加裂纹的敏感性。由于铜的导热系数、膨胀系数大，因此焊接过程存在较大焊接应力形成液化裂纹。一般杂质元素混入主要是焊接过程清洁不到位导致的。

综合以上所有测试结果，可以得出以下结论。

1）裂纹类型判断为热裂纹。

2）裂纹附近存在氧化色，证明焊接过程中气体保护效果偏差。

3）断口存在晶界熔融特征，焊接热输入过大。

4）CuFe2S3、CuFeS2等二次相降低了晶界结合强度。

3 解决措施

针对以上测试得出的裂纹产生原因，通过梳理焊接过程，制定了如下相应对策。

1）提高氩气纯度。目前使用的焊接保护气为氩气，纯度为99.99%，后续焊接将使用纯度为99.999%的氩气作为焊接保护气。

2）焊枪内采用大喷嘴加气体分配器以加强保护。

3）针对焊接过程热输入过大的情况，需严格控制坡口尺寸，具体尺寸要求如下：①坡口钝边0.5～2mm，错边量≤0.5mm。②壁厚T＜2.5mm时，不留装配间隙。③壁厚2.5mm≤T＜5mm时，装配间隙为（2±1）mm。④壁厚T≥5mm时，装配间隙为（3±1）mm。

4）焊接过程控制热输入为1.0～1.5kJ/mm。打底焊道采用填丝工艺，单面焊双面成形，背面氩气保护，采用多层多道焊时，层道间温度为150℃。

5）焊接过程使用酒精或丙酮对焊丝及母材以及层间焊道进行清洁，避免含P、S等元素的杂质进入焊缝。

4 效果验证

为验证解决措施是否有效，选取相同尺寸的试样，采用以上控制措施焊接了两组试件。焊接接头按照NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》 要求进行X射线检测，结果为I级合格，未发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷（见图7）。

图7 X 射线检测结果

以上措施已在工程项目中推广使用，截至项目完工并未出现焊接热裂纹，质量提升效果明显。

5 结束语

本文通过对出现焊接裂纹的薄壁铜镍管线断裂接头开展显微镜扫查、化学成分分析、微观组织分析，得出了产生裂纹的原因，同时又针对性地制定了相应的措施，结论如下。

1）铜镍管线出现的带有氧化色的裂纹为焊接热裂纹，且裂纹是由焊接过程气体保护效果偏差造成氧化，焊接过程热输入量偏大以及形成含有S等杂质的二次相引起的。

2）通过提升保护气体纯度、降低焊接热输入以及注重焊接全过程清洁等3种措施共同使用，可以有效地避免焊接裂纹的产生。