T2管與1Cr18Ni9Ti板的管板焊接工藝

李揚(yáng)

摘要：本文依托某煉油廠透平膨脹壓縮機(jī)供油裝置上的冷卻器紫銅與不銹鋼管板接頭維修焊接實(shí)例，對紫銅的材質(zhì)特性進(jìn)行分析，歸納出紫銅的焊接難點(diǎn)及特點(diǎn)，總結(jié)出適合現(xiàn)場施工安裝的焊接工藝，采用氬弧焊焊接工藝、匹配的焊材及焊前預(yù)熱措施，成功進(jìn)行了T2管與不銹鋼板的現(xiàn)場焊接，使焊接達(dá)到了質(zhì)量規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：T2紫銅；熱裂紋；焊接工藝；預(yù)熱

1 T2的特性

1.1 物理特性

T2紫銅是工業(yè)純銅，其熔點(diǎn)為1083℃，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)熱系數(shù)401（W/m·K）、電阻率為1.72×10-8Ω·m、密度8.9克/立方厘米、比熱容385J/（kg·K）。表面形成氧化膜后呈紫色，故一般稱為紫銅。它是含有一定氧的銅，因而又稱含氧銅。與其他金屬相比較，導(dǎo)熱系數(shù)小，電阻系數(shù)小。862℃以上為體心立方，稱為β相。與其他金屬相比較，導(dǎo)熱系數(shù)小，電阻系數(shù)大。

1.2 化學(xué)特性

T2為普通紫銅，屬含氧銅。紫銅的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率僅次于銀，廣泛用于制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱器材。紫銅在大氣、海水和某些非氧化性酸（鹽酸、稀硫酸）、堿、鹽溶液及多種有機(jī)酸（醋酸、檸檬酸）中，有良好的耐蝕性，用于化學(xué)工業(yè)。另外，紫銅有良好的焊接性，可經(jīng)冷、熱塑性加工制成各種半成品和成品。

普通紫銅在含氫或一氧化碳的還原性氣氛中加熱時(shí)，氫或一氧化碳易與晶界的氧化亞銅（Cu2O）作用，產(chǎn)生高壓水蒸氣或二氧化碳?xì)怏w，可使銅破裂。這種現(xiàn)象常稱為銅的“氫病”。氧對銅的焊接性有害。紫銅退火板材的室溫抗拉強(qiáng)度為22～25Kgf/mm2，伸長率為45～50%，布氏硬度（HB）為35～45。

2 T2與的1Cr18Ni9Ti可焊性分析

Fe與Cu的原子半徑、點(diǎn)陣類型、晶格常數(shù)及外層電子數(shù)都比較接近，這對不銹鋼與紫銅之間的焊接比較有利。但是，不銹鋼與紫銅的熔化焊接還有一定的難度，主要如下：

（1）.鐵與銅的物理性能不同，熔點(diǎn)及線膨脹系數(shù)差異大，紫銅的線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。

（2）.銅的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的8倍多，熔池的冷卻速度比鋼要大得多，氫的擴(kuò)散逸出和水的上浮條件更為惡劣，形成氣孔的敏感性增大。

此外，焊縫中的鐵元素對熱裂紋傾向的影響比較大。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)鐵含量在10～43%時(shí)，焊縫具有最好的抗裂性能。因此，控制焊縫的熔合比是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法的選擇

紫銅與不銹鋼焊接可采用氣焊、氬弧焊、手工電弧焊等焊接方法。氣焊的焊接熔池溫度易于控制，容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，對焊件進(jìn)行焊前預(yù)熱和后熱也較便利。但由于氧乙炔焰溫度低，熱量分散，難以克服因紫銅散熱快而引起焊不透的缺陷，且對不銹鋼一側(cè)也很難實(shí)現(xiàn)熔化，較難獲得良好的焊接質(zhì)量，為此氣焊方法在本例中排除。

3.2 接頭形式及尺寸

接頭形式為管板接頭，板厚δ=20mm，紫銅管規(guī)格為φ16×3紫銅管。

3.3 焊接設(shè)備及機(jī)具選擇

焊接電源應(yīng)選用額定電流400A的直流氬弧焊電源WS-400，配帶高頻引弧裝置；焊槍選用300A氬弧焊槍。

3.4 焊接材料的選擇

依托母材焊接特性，將焊材初步確定為純Ni焊絲、HS224硅黃銅焊絲、HS201紫銅焊絲、H0Cr21Nil0不銹鋼焊絲四種焊材。

4 不銹鋼與紫銅的異種材質(zhì)的焊接

可采用Z308堆焊在不銹鋼上，再用T107焊接銅與純Ni層。由于純Ni與銅在固態(tài)、液態(tài)情況下均能無限互熔，能消除Cu的有害作用，可有效地防止裂紋，提高力學(xué)性能。但本例為管板之間的焊接，接頭形式無法實(shí)現(xiàn)堆焊的效果，且純Ni焊絲，市場供貨少，難購買。

4.1.焊前準(zhǔn)備

焊前準(zhǔn)備：紫銅管（50Cm范圍內(nèi)）焊接部位需嚴(yán)格去油、氧化物及其它污物，管板焊接坡口部位需去油、除涂銹等雜質(zhì)。

氬氣的純度要求≥99.99%

4.2合理控制焊接熱循環(huán)

合理控制焊接熱循環(huán)，對于改善焊接應(yīng)力狀態(tài)和消除氧化物、硫化物以及減少低熔點(diǎn)共晶體起著至關(guān)重要的作用。

在焊接方法采用熱量集中的焊接方法，即手工鎢極氬弧焊接。

另外，可采用焊前、焊中加熱、焊后保溫的辦法。由于紫銅導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱迅速，故施焊前必須對銅管施焊一側(cè)進(jìn)行預(yù)熱（溫度600-650℃）。

焊接過程中仍要保持焊縫層間溫度不低于400℃，有較大難度。由于管板焊接位置處于不銹鋼封板兩側(cè)，可用中性焰加熱銅管位于不銹鋼封板另一側(cè)的非焊接區(qū)域，利用銅管的良好導(dǎo)熱性能，確保焊縫層間溫度（溫度400-450℃）。

焊接完畢后，用硅酸鋁氈覆蓋焊口保溫緩冷，以消除焊接應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。

4.3操作手法

施焊時(shí)采用短弧焊，電弧中心要偏向銅管側(cè)約2-4mm，一方面減少銅管側(cè)的熱量損失，以免發(fā)生未焊透、未熔合等缺陷，且能減少熔合比，使Fe元素的含量控制在10～40%之間，使焊縫具有良好的抗裂性能。另一方面也可防止不銹鋼管一側(cè)受熱過多而產(chǎn)生燒穿、咬邊現(xiàn)象。

采用連續(xù)送絲方式，不做橫向和前后擺動(dòng)，只沿焊縫的直線移動(dòng)，不能采用不加焊絲而將兩種母材直接熔合的方法。施焊過程中盡量減少熄弧次數(shù)，熄弧前為防止出現(xiàn)弧坑和過早失去保護(hù)，應(yīng)在熄弧前多添加填充金屬，填滿后再熄弧停止送氬氣。

5 結(jié)論

通過在紫銅與不銹鋼管板接頭的焊接實(shí)例，只要選擇合適的焊接材料、合理的焊接規(guī)范，對于不銹鋼與銅的焊接，采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣焊、釬焊、脹接工藝，可以達(dá)到銅管與不銹鋼（碳鋼）管板接頭的中壓強(qiáng)度及氣密性的要求，能夠滿足產(chǎn)品的使用要求，是經(jīng)濟(jì)、簡便、可靠的一種焊接工藝方法。能有效地降低施工成本、生產(chǎn)周期及工藝難度。它大大提高了接頭的強(qiáng)度，給中高壓油泵在透平膨脹機(jī)供油裝置上的應(yīng)用掃清了障礙；同時(shí)，它顯著提高了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。