高壓黃銅管道焊接工藝改進

楊毅坤　韓文慶

摘 要 在高壓黃銅管道焊接施工過程中，對于使用氧-乙炔焊接出現(xiàn)的缺陷如氣孔、夾渣、氧化等問題，不斷改進焊接方法，經過多方面試驗后，采用氬弧焊工藝并應用自制混合氣體作為保護氣的焊接方法取得成功。

關鍵詞 黃銅 管道 焊接

中圖分類號：TG113 文獻標識碼：A

0前言

GB 16912-2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規(guī)程》中明確規(guī)定，壓力>10MPa的氧氣管道如氧氣充裝臺、匯流排必須采用銅及銅合金材質或鎳及鎳基合金管道。管道施工驗收時，壓力>4.0MPa的管道焊縫應采用射線檢測，采用水壓試驗時，要求射線照相比例100%，焊縫質量等級不低于Ⅱ級。我們氣體廠主要是生產各種氣體，銅及銅合金材質在我廠的設備及管道使用量非常廣泛。

1焊接作業(yè)過程

新施工的高壓氧氣充裝管道采用的是H62黃銅管材，管道鋪設施工過程中，焊接工作是非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1.1黃銅材質的分析

特性：普通黃銅，H62（即四六黃銅）有良好的力學性能，熱態(tài)下塑性好，冷態(tài)下塑性也可以，切削性好，易釬焊和焊接，耐蝕，但易產生腐蝕破裂。是應用廣泛的一個普通黃銅品種。

1.2主要物理參數(shù)

2焊接過程和分析

2.1氧-乙炔焊接

在施工最初時，黃銅管道焊接是按照中冶京城工程技術有限公司提供的《氧氣管道施工說明》采用氧-乙炔焊接。焊接選用與母材同材質3mm直徑焊絲，施焊前對坡口兩側和焊絲均勻預熱，焊接時利用氧氣乙炔氣混合燃燒生成的火焰為熱源，熔化焊件和焊絲使之結合，焊接過稱中手工添加硼砂溶劑，焊后進行熱處理以消除應力。采用這種焊接工藝的焊縫射線照相結果顯示（見圖1），焊縫內部氣孔較多，焊縫質量達不到Ⅱ級，同時肉眼可見焊縫的表面覆著了一層白色物質。

分析這些缺陷形成的原因，在氣焊過程中，被加熱的熔化金屬與周圍空氣中的氧或火焰中的氧化合生成氧化物，即便是使用了溶劑，也不能完全隔絕空氣，不能完全杜絕氧化反應的發(fā)生，使焊縫產生氣孔和夾渣等缺陷。H62黃銅合金中含有62%左右的銅和35%左右的鋅，焊接過程中，金屬鋅氧化生成白色的氧化鋅，使得焊縫看起來表面覆著了一層白色物質，氧化物的生成使焊縫處的金屬材質發(fā)生了變化，其金屬強度耐壓能力也必然隨之變化，基于上述原因，現(xiàn)場施工沒用采用氣焊工藝。

2.2氬弧焊（純氬氣保護）

為有效防止焊區(qū)氧化，提高焊縫質量，現(xiàn)場決定采用氬弧焊工藝進行焊接試驗。

氬弧焊是使用氬氣作為保護氣體的電弧焊接技術，氬氣比空氣密度大，可在電弧周圍有效形成保護區(qū)，防止空氣侵入焊接區(qū)，從而保護熔池金屬不與空氣作用反應，杜絕氧化。氬氣化學性質不活潑，高溫下也不和金屬發(fā)生反應，也不溶于液態(tài)金屬，因此，氬氣可以避免焊縫中合金元素的燒損和由此帶來的其它焊接缺陷。

現(xiàn)場焊接采用逆變直流TIG焊接電源，調節(jié)焊接電流120A左右，選用純度≥99.99%的純氬氣為保護氣對黃銅管進行焊接，焊后進行熱處理。氬弧焊的焊縫表面也覆著了一層白色氧化鋅，射線照相結果顯示（見圖2）：焊縫內部有少量氣孔，并有未焊透、未熔合的缺陷。

分析焊縫缺陷出現(xiàn)的原因，黃銅的導熱系數(shù)大（106 W/m.K），熔化時表面張力小，流動性大，在黃銅的焊接過程中，因為銅導熱快，電弧加熱到母材上的熱量很快就被導走，電弧熱量的散失，使得電弧的燃燒和熔池溫度穩(wěn)定性變（下轉第135頁）（上接第131頁）差，從而容易出現(xiàn)未焊透和未熔合的缺陷。同時使用氬弧焊焊接溫度高，高溫階段停留時間長，鋅的沸點低，焊接過程中很易蒸發(fā)，使焊縫產生氣孔，同時蒸發(fā)的鋅與氧結合成氧化鋅覆著在了焊縫表面?；谏鲜鲈?，現(xiàn)場施工也沒有采取純氬保護焊接工藝。

2.3采用混合氣體保護

氦氣也是無色無味的惰性氣體，也不和其它元素形成化合物，不溶于金屬。與氬氣相比，氦氣的電離勢高，氦保護的電弧電壓明顯比氬保護高，所以氦保護的溫度高，發(fā)熱大且集中。同時氦的熱傳導系數(shù)大，有利于向被焊區(qū)輸熱，所以在同等電流和弧長條件下，氦保護弧焊的速度要明顯快于氬弧焊，且可獲得熔深較大的窄焊道，熱影響區(qū)也明顯減小，它更適于焊接銅、鋁、鎂等導熱性好的金屬。

如何在焊接中結合氬弧焊和氦氣保護焊的優(yōu)勢而避免各自的缺點，取得高質量焊縫？由相關資料中查得“氬氦混合氣用不同的組合可以提高TIG焊和MIG焊的電弧電壓和熱量，而保持氬氣的有利特性，特別適合于焊縫質量要求很高的場合。氦氣的加入量至少應在20%以上才能產生和維持穩(wěn)定噴射電弧的效果?！爆F(xiàn)場使用不同配比的氦氬混合氣取代純氬氣分別進行焊接試驗，然后由射線照相結果對比焊縫質量，最終使用3：7比例的氦氬混合氣焊接的銅管焊縫質量等級達標，如圖3。

由于氦氣的加入，氦氬混合氣較之純氬弧焊電弧溫度高，向焊區(qū)導熱快，母材升溫快，焊接速度快，黃銅中鋅的沸騰外翻較不明顯。30%氦氣的加入量使氦氬混合氣的密度略微大于空氣密度從而保證了有效的屏蔽保護效果，有效保證了高質量焊縫的形成。大于3：7氦氬配比混合氣的密度小于空氣密度，不能保證良好的保護效果，焊縫中氣孔較多。小于3：7的氦氬配比混合氣電弧燃燒及導熱效果均不及3：7比例混合氣，焊接速度相對較慢，也容易產生焊接缺陷。試驗成功后，現(xiàn)場施工采取了氦氬混合氣體保護焊的工藝對氧氣管道的焊口進行焊接，經射線照相檢測，合格率達到98%。

3結論

黃銅材質的壓力管道尤其是高壓管道焊接時，由于施工對焊縫質量要求較高，采取氦氬混合氣體保護焊接工藝比傳統(tǒng)的氣焊和純氬保護焊更能獲得高質量焊縫，滿足施工要求。節(jié)約大量的人力和財力。

參考文獻

[1] 徐越蘭，等.常用焊接材料手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.