(相关资料图)

某再沸器壳程设计温度 260℃ ， 介质为蒸汽，材料为 SA-516 Gr． 70; 管程设计温度为 260℃ ， 管箱筒体及封头材料为 ASME SB-171 C71500， 规格为 ID614 mm × 12． 7 mm， 管板为 SA-516 70 复合SB-171 C71500，规格为800 mm × ( 45 + 8) mm，换热管材料为 SB-111 C71500， 规格为25． 4 mm×3． 4 mm。 C71500 合金因加入 30% 左右 Ni 使母材呈银白色，通常称为白铜，此合金在流速较高的污染海水环境中有较好的抗腐蚀性能， 常作为一种高耐蚀性能材料广泛用于化工的重污染的冷凝器、再沸器、蒸发器及海水工程中。 Cu-Ni 合金材料在焊接过程中易出现热裂纹、气孔等缺陷，需要采取相应的措施来保证焊接质量， 本设备制造难点为管程侧 C71500 材料管子管板接头的焊接。

材料化学成分C71500 为 70Cu-30Ni 合金， 主要成分为 Cu、Ni，含少量的 Mn 和 Fe， 可以更好地防止海水腐蚀，限制杂质元素 Zn、C、Pb、S、P 等可以提高热电率和可焊性，其化学成分见表 1。

材料力学性能和物理性能铜镍合金 C71500 比铜的强度高， 但比钢的强度低， 具有良好的延性、韧性和成形能力， 在低温条件下无脆化现象并保持低温韧性和强度， 在加工硬化条件下强度会有一定的增加。 C71500熔点为 1230℃ ，密度为 8． 9 g/cm 3 ， 线膨胀系数为15． 6 ×10－ 6 ℃ ，室温热导率 31 W/( m· K) ， 电阻率为 42 × 10－ 8/( Ω· m) ， 在高温下具有较好的热加工性能和良好的可焊性，在 ASME 标准中，退火状态的 C71500 最高设计温度允许到 371℃ ， 其常温力学性能见表 2。

焊接性分析C71500 是铜和镍的合金， 由 于 Ni 无限固溶于 Cu 中， 因 此 C71500 具有 单一的 α 相 组织。C71500 合金不仅具有较好的综合力学性能， 而且还由于导热性接近于碳钢而变得容易焊接， 焊前不需要预热，焊后也不需要热处理。 C71500 合金与低碳钢相比有以下特点:

导热系数C71500 合 金 的 室 温 导 热 系 数 为 29W/( m· K) ，远低于 C22000 黄铜 188 W/( m· K)以及纯铜 370 W/( m· K) 的导热系数， C71500 合金的导热系数更接近碳钢和低合金钢材料， 因此不需要像黄铜、纯铜材料焊接需要进行较高温度的预热，采用大的焊接规范参数焊接。 C71500 合金的线膨胀系数为 15． 6 × 10－ 6/℃ ，与低碳钢材料的线膨胀系数 11． 6 ×10－ 6/℃ 相比约高了 1． 3 倍，线膨胀系数的增加将导致焊接接头收缩应力增加，焊接部件更容易发生焊接变形。

焊接热裂纹敏感性C71500 中含约 70% 的 Cu 元素， 焊接时 Cu与 Pb、Bi、O、S、P 等杂质元素形成低熔点共晶体，同时 S、P 元素与 Ni 也容易形成低熔点共晶体，焊缝结晶时低熔点共晶体在枝状晶间或晶界处分布，使 C71500 合金具有明显的热脆性， 尤其对 S、P 杂质元素比较敏感， 易形成热裂纹。 焊缝凝固至固态时，热影响区的低熔点共晶体还处于液化状态，受焊接应力的作用而产生热裂纹。 此外，铜合金在冶炼时， 氧作为杂质元素存在于合金液态金属中，在后续坯料加工和材料焊接时会以 Cu 2 O氧化物的形式存在母材或焊缝金属中， 增加了热裂纹的敏感性。 有研究表明， 焊缝金属中 Cu 2 O的含量超过 02% ， Pb 的含量超过 0． 03% ， Bi 的含量超过 0． 005% 时， 均会导致焊接热裂纹的产生。

从产品用材料 C71500 的化学成分来看， Pb元素含量仅为 0． 003% ，S 元素含量仅为0． 005% ，P 元素含量仅为 0． 002% ， Bi 元素含量低于检测标准，近似为零， 对比 C71500 材料标准对杂质元素的要求，材料实际的杂质元素含量远低于标准要求，说明材料纯度较高，因 Pb、Bi、S、P 等杂质元素引起的热裂倾向比较小。 Ti、Mn 元素是良好的脱氧剂，采用含有 Ti、Mn 元素的焊材可提高焊缝的脱氧能力，达到脱氧的目的， 同时对焊材中 S、P杂质元素的含量进一步限制， 可降低热裂纹产生的几率。

此外，铜合金在加热过程中无同素异构较变，晶粒长大倾向严重， 铜焊缝中的大晶粒和柱状晶会使塑性下降， 同时 C71500 线膨胀系数相对于低碳钢较大，如果焊接接头的应力较大会增大接头的热裂纹敏感性。 对于管子管板接头焊接尤其要注意由于过大的焊接应力产生热裂纹的问题。

焊接气孔气孔是铜焊接的主要缺陷， 铜对氢气孔极其敏感。 氢在铜中的过饱和程度远大于钢， 焊缝冷却凝固时会有更多的氢来不及逸出而留在凝固的焊缝中成为气孔。 由图 1 可看出，液态铜中氢的溶解度与铜合金中的合金含量有关。 铜中加入钛、锰等强脱氧剂的元素或在铜合金中加入铝、锡等元素都会获得良好的效果，而铜中加入镍，氢的溶解度会提高， 而且合金含量越高， 对氢的溶解度的影响也越大， 所以白铜的气孔倾向应比纯铜高，因此如何避免气孔的产生是焊接C71500材料的难点。

综上所述， C71500 合金的焊接主要问题是焊接热裂纹和氢气孔，为了保证焊接质量，焊接时采取相应措施来避免焊接热裂纹和气孔的产生。