H62黃銅與20#鋼異種材料對接氣焊焊接工藝探究

摘 要:黃銅的機(jī)械性能和耐磨性能優(yōu)異，此種材料與碳鋼制成的焊接結(jié)構(gòu)在機(jī)械、化工、石油及反應(yīng)堆行業(yè)應(yīng)用廣泛。采用異種金屬制造焊接結(jié)構(gòu)，不僅可節(jié)約大量的優(yōu)質(zhì)貴重材料降低成本，簡化制造工藝，而且能保證在不同的工作條件下使用不同的材料，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢。采用氧乙炔焊焊接H62黃銅管與20#管的對接接頭，進(jìn)行了多次焊接工藝試驗(yàn)，探索出與之相適應(yīng)的焊接工藝。

關(guān)鍵詞:H62黃銅與20碳鋼 焊接 缺陷 強(qiáng)度 氣焊

中圖分類號:TG456\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0101-02

異種材料的焊接性能主要取決于兩種材料的晶體結(jié)構(gòu)、物理性能、表面狀態(tài)等，兩種材料的這些差異越大，焊接性越差。兩種金屬的晶格類型相同，晶格常數(shù)、原子半徑及其負(fù)電性均比較接近時，越容易形成連續(xù)固溶體，其焊接性能越好;否則容易形成金屬間化合物，使焊縫性能大幅降低。為了改善異種金屬焊接性能，對不能形成無限固溶體的異種金屬，可在兩種被焊金屬之間加入過渡層，選擇的過渡層金屬與兩種金屬均能形成無限固溶體。熔化溫度、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和電阻等物理性能影響焊接的熱循環(huán)過程、結(jié)晶條件和接頭質(zhì)量。當(dāng)異種材料熱物理性能的差異較大時會使熔化情況不一致，給焊接造成困難;線膨脹系數(shù)相差較大時會造成較大的焊接殘余應(yīng)力和變形，易使焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。

1 工程狀況及國內(nèi)現(xiàn)狀

按照設(shè)計慣例氧氣管道要安裝阻火段，在發(fā)生事故時因銅的熔點(diǎn)低以便及時切斷火源避免事故擴(kuò)大造成更大損失。萊鋼銀山型鋼有限公司3#3200m3高爐配套公輔工程氧氣管道設(shè)計中阻火段設(shè)計為黃銅H62，氧氣管道材質(zhì)為20碳鋼，黃銅與碳鋼對接焊為一體，氧氣管道設(shè)計壓力為3.6MPa，對焊接質(zhì)量要求極高。

2 黃銅焊接的特點(diǎn)及改進(jìn)方法

以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅，黃銅用+H表示，如H80、H62、H70等。銅合金在焊接過程中容易產(chǎn)生以下問題。

2.1 難熔合

銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接時大量的熱從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，焊接區(qū)難以達(dá)到熔化溫度，使母材與填充金屬很難融合。因此焊接時要采用功率大、熱量集中的熱源，并采取預(yù)熱措施。

2.2 銅的氧化

銅在溫度接近熔點(diǎn)時氧化能力最強(qiáng)生成氧化亞銅。氧化亞銅和銅形成低熔點(diǎn)的共晶分布在銅的晶界上降低了焊接接頭的機(jī)械性能。

2.3 氣孔傾向嚴(yán)重

銅的導(dǎo)熱性比較好，焊接熔池凝固速度快，液態(tài)熔池中氣體上浮的時間短來不及溢出，易造成氣孔。預(yù)防措施主要有:焊前凈化;對焊縫加強(qiáng)脫氧，加入硅、鋁、鈦、錳等脫氧元素;焊接時加熱，降低冷卻速度。

2.4 易產(chǎn)生熱裂紋

嚴(yán)格控制焊接材料的氧鉛鉍硫等有害元素的含量，通過焊絲加入錳、硅、磷等合金元素增強(qiáng)焊縫脫氧能力，選用能獲得雙相組織的焊絲，使焊縫晶粒細(xì)化、晶界增長，使易熔共晶分散不連續(xù)。焊接時加強(qiáng)對熔池的保護(hù)，采用減小焊接應(yīng)力的工藝措施，如選用熱量集中的熱源、焊前預(yù)熱、選擇合理的焊接順序、焊后緩慢冷卻。

2.5 焊接接頭性能下降

合金元素蒸發(fā)有害雜質(zhì)侵入，焊縫金屬和熱影響區(qū)組織的增大，使焊接接頭的強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性下降，改善和防止的辦法是選擇合理的焊接材料，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。

3 黃銅焊接方法試驗(yàn)及效果檢查

焊接異種材料時，必定會產(chǎn)生一層成分、組織及性能與母材不同的過渡層，過渡層的性能給焊接接頭的整體性能帶來重大的影響，處理好材料焊接的過渡層對于獲得滿意的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。所以，焊接異種材料時需要采取相應(yīng)的工藝措施來控制過渡層，以保證接頭的性能。針對黃銅及碳鋼焊接的特點(diǎn)，焊前進(jìn)行預(yù)熱采用大能量焊接。

針對黃銅焊接的特點(diǎn)和處理方法，結(jié)合H62與20#鋼的物理化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)制定出合理的焊接工藝。H62銅管與20#鋼管化學(xué)成分、物理性能、常溫力學(xué)性能參見表2、表3。

鋼與銅的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率相差較大，焊接接頭會產(chǎn)生極大應(yīng)力導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。鋅、錳的蒸發(fā)在焊接區(qū)形成煙霧，不但影響視線使操作發(fā)生困難，而且鋅的蒸發(fā)改變了焊縫的化學(xué)成分、降低了其性能。因此試驗(yàn)選用含0.3%～0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅焊絲HS224，使焊縫表面生成氧化硅薄膜以阻擋鋅的蒸發(fā)。氣焊粉選用CJ301。

焊接試管:Φ108×5×150mm，銅管12塊，碳鋼管12塊。

焊接方法:氧乙炔焊，試管接頭內(nèi)側(cè)加放襯管。

坡口形式:單面不等度數(shù)V型，破口角度α=30°，β=45°(如圖1）。

試件焊接之前需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為700℃～850℃，層間溫度控制在550℃～600℃。焊后熱處理溫度500℃～600℃，保溫時間2ｈ(采用石棉覆蓋進(jìn)行保溫)。氧乙炔焊焊接工藝參數(shù)、焊后外觀、強(qiáng)度檢查見表3、表4、表5。

(1)由焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫強(qiáng)度均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值，斷口位置都發(fā)生在母材，表明焊縫強(qiáng)度合格。

(2)對焊縫進(jìn)行無損探傷，接頭內(nèi)部質(zhì)量等級達(dá)到Ⅱ級以上。

4 結(jié)語

(1)由焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫接頭力學(xué)性能滿足評定標(biāo)準(zhǔn)要求。制定的焊接工藝滿足H62黃銅管與20#鋼管焊接的要求。

(2)焊接工藝評定試驗(yàn)中所用焊接工藝參數(shù)可作為編制萊鋼銀山型鋼有限公司3#3200ｍ3高爐配套公輔工程氧氣管道安裝阻火段銅管的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]\tGB50236-98現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]\t彭友祿.焊接工藝[M].北京:人民交通出版社，2002，4.