高爐水冷壁紫銅管與爐皮異種金屬焊接

呂 杰，李世霞

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

煉鐵高爐在服役后期，爐腹、爐腰部位的水冷壁逐漸出現(xiàn)破損-泄露-燒損現(xiàn)象，水冷壁的功能隨之喪失，高溫爐料直接接觸爐殼，爐殼因內(nèi)外很大的溫差，產(chǎn)生的巨大溫差拉伸應(yīng)力而出現(xiàn)開(kāi)裂，為了延長(zhǎng)爐役，需要更換新的水冷壁或應(yīng)用替代型水冷壁，替代型水冷壁（如圖1 所示），替代型水冷壁由外徑為60mm，管壁厚度為10mm 的紫銅管，穿過(guò)40mm 厚的碳鋼爐皮焊接，之后圍繞爐內(nèi)部分銅管澆注耐火材料，制造而成。

圖1 替代型水冷壁

替代型水冷壁的制造的難度點(diǎn)為紫銅管與爐殼之間的焊縫焊接。焊接質(zhì)量直接影響水冷壁的冷卻效果、高爐煤氣的封堵效果、以及水冷壁的壽命等。分析焊接接頭，結(jié)合施工實(shí)際狀況，如何優(yōu)質(zhì)完成銅-鋼異種金屬的焊接是實(shí)現(xiàn)替代型冷卻壁制作的關(guān)鍵。異種金屬材料的焊接，首先需要掌握兩種材料的性能差異，詳見(jiàn)表1 所示。

表1 Fe 與Cu 的物理性能

對(duì)比可見(jiàn)紫銅和碳鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性、均有很大差異。

圖2 焊縫

根據(jù)異種鋼焊接焊材的選取常規(guī)，兩種金屬焊接連接時(shí)選用與強(qiáng)度較低的金屬材料相近的焊材，盡可能降低焊縫熔合比，并結(jié)合紫銅和碳鋼的物理性能，選擇鎢極氬弧焊和使用紫銅焊絲填充的方式焊接該接頭。焊接接頭如圖2所示，存在著銅-銅熔合線、焊縫區(qū)、銅-鋼熔合線、以及熱影響區(qū)。分別涉及到純銅的焊接和純銅與碳鋼之間的異種金屬焊接。

查閱相關(guān)資料可知。焊接時(shí)，純銅之間的焊接時(shí)，如果焊接工藝控制的不當(dāng)，容易產(chǎn)生未焊透、未熔合、裂紋、氣孔、成型差、接頭的強(qiáng)度和韌性降低等缺點(diǎn)。純銅與碳鋼之間的異種金屬焊接，如果焊接工藝選取不當(dāng)，焊縫中對(duì)規(guī)范敏感性較大的銅一側(cè)，熔合區(qū)易產(chǎn)生氣孔、裂紋。鋼一側(cè)易產(chǎn)生銅的鐵中過(guò)飽和固溶體硬脆合金層，易導(dǎo)致裂紋。而熱影響區(qū)易產(chǎn)生銅的滲透裂紋，且銅母材中的含氧量要盡可能低，因此多進(jìn)行焊前預(yù)熱，減緩熔池的冷卻速度，提高銅中氧的溢出時(shí)間。

但是,由于在融熔狀態(tài)下鍋爐鋼和純銅的原子結(jié)構(gòu)，晶相組織，電化學(xué)組織結(jié)構(gòu)相近，這對(duì)異相材質(zhì)間融合、異種金屬（銅鋼）焊接來(lái)說(shuō)，具有積極的作用[1]。且銅與鐵在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)下為有限固溶，可以通過(guò)克服銅鐵在物理性能上存在差異的困難，選擇合適的焊接材料，避免生成脆性金屬間化合物[2]，即可獲得良好的焊接接頭。本論文通過(guò)查閱相關(guān)資料及文獻(xiàn)，通過(guò)應(yīng)用試驗(yàn)，選用了合理的焊接工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)了銅-鋼異種金屬的焊接。

1 焊接工藝選擇

依據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)純銅與鍋爐鋼異種材料之間的焊接，有焊條電弧焊、埋弧焊、氣焊、熔化極氬弧焊、非熔化極氬弧焊、高能束焊等方法很多。在異種金屬間通過(guò)過(guò)渡層焊接方面，南京理工大學(xué)的王克鴻[3]等提出通過(guò)在鋼基材上焊接熔覆層，可實(shí)現(xiàn)鋼基體與銅熔敷層的過(guò)渡層焊接，銅層與鋼基體具有良好的冶金界面，界面無(wú)關(guān)鍵及深層次缺陷。王向斌[4]等對(duì)T2 紫銅與10 鋼電子束焊接方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)優(yōu)化與控制焊接參數(shù)，也可得到比較理想的預(yù)期效果。Shen Hongwei[5]等人利用了Nd：YAG 激光器對(duì)接焊接了紫銅和300 系列不銹鋼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)激光束偏向銅側(cè)0.4mm 時(shí)，能得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。雖然利用熔敷焊、壓焊、高能束焊等方法能夠?qū)崿F(xiàn)鋼與銅的焊接，并具有效率高、結(jié)合質(zhì)量好、變形小等優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上焊接成功案例，進(jìn)一步證明了，實(shí)現(xiàn)銅鋼焊接的要點(diǎn)是：一是需要足夠的或是集中的焊接熱量，以此抵消銅一側(cè)熱量的流失，保證熔池的形成。二是嚴(yán)格控制氫、氧溶入熔池的數(shù)量。三是控制鐵元素進(jìn)入熔池的數(shù)量，將焊縫中鐵元素的溶入量控制在20%以下。四是焊后適當(dāng)保溫，延長(zhǎng)焊縫中氣體的逸出時(shí)間，并控制焊縫，避免焊縫立即受力。

結(jié)合替代性水冷壁的焊接條件，替代性水冷壁的焊接采用手工鎢極氬弧焊方法[6-8]。由于其電弧熱集中，焊接過(guò)程穩(wěn)定，附加適當(dāng)?shù)暮附虞o助工藝，可以取得良好的焊接質(zhì)量，焊接熔渣少，不產(chǎn)生氣孔、無(wú)裂紋、結(jié)構(gòu)塑性韌性較好的效果，可較好的用于紫銅與鋼的焊接。

2 焊接工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

用砂輪打磨清除焊接部位及兩側(cè)20 毫米范圍內(nèi)的影響焊接質(zhì)量的非主材成分物質(zhì)及附著物，從而保證焊接質(zhì)量在預(yù)期效果范圍內(nèi)。使用砂輪清理后，必須用銼刀對(duì)打磨過(guò)的位置進(jìn)行再次清理，避免砂輪打磨時(shí)，嵌入銅質(zhì)表面的沙粒影響焊縫的性能。

其次，由于材質(zhì)導(dǎo)熱性的差異，純銅和鍋爐鋼熔焊時(shí)，由于銅側(cè)散熱過(guò)快，區(qū)域溫度難以達(dá)到工藝要求溫度，導(dǎo)致焊接結(jié)果極難達(dá)到預(yù)期效果，所以需要對(duì)紫銅管進(jìn)行焊前預(yù)熱。實(shí)際施工中，采用火焰預(yù)熱，預(yù)熱前，為了避免大壁厚銅管，散熱快的缺點(diǎn)，避免熔池快速凝固而形成氣孔，將銅管加工到最短，然后用保溫棉包裹住，只露出焊口。再用多把氧乙炔火焰烤把，同時(shí)加熱銅管焊口及近焊口端銅管，待焊口及近焊口端加熱至明紅色時(shí)立即施焊。

2.2 焊接工藝制定

2.2.1 焊接材料的選擇

由圖1 Cu-Fe 二元相圖可知，紫銅與鋼焊接過(guò)程中由于焊接材料選擇的不同，焊縫組織可能形成不同的固溶體相，當(dāng)Cu 含量小于0.3%時(shí)，其組織為銅固溶入鐵的α 固溶體，當(dāng)Fe 含量小于0.2%時(shí)，其組織為鐵固溶入銅ε 固溶體，當(dāng)Cu、Fe 含量在其他情況下，形成雙相組織，焊縫區(qū)組織以（α+ε）雙相固溶體形式存在[6，7]。由于α 固溶體易產(chǎn)生α 相脆化，造成焊縫脆性增大，導(dǎo)致焊縫性能的整體下降，不利于銅鋼異種金屬的焊接。所以要嚴(yán)格控制Fe 的溶入量，一般當(dāng)鐵的溶入量在10%-43%時(shí)，可以獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭，焊縫中金屬以（α+ε）雙相組織形式存在。銅與（α+ε）固溶體互相耦合，有利于焊接接頭強(qiáng)度的提高[8]。當(dāng)選用紫銅焊絲進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫中由（α+ε）雙相組織組成。并且通過(guò)試焊驗(yàn)證，將焊縫中鐵的溶入量控制在20%以下時(shí)效果最好。因此，此處選擇紫銅為焊接填充材料，實(shí)際使用HS201，焊絲直徑為4 mm。

為了克服高溫下銅的快速氧化的特點(diǎn)，同時(shí)避免氧化亞銅（Cu2O）的產(chǎn)生和障礙焊縫的熔合。改善焊接的成形效果，選用HJ301 或硼砂作焊劑，在氬弧焊施焊前灑在紅亮的坡口面上。

圖3 Cu-Fe 二元相圖

2.2.2 焊接工藝參數(shù)的制定

為保證電弧能深入到坡口根部，使?fàn)t殼與紫銅充分熔合，并獲得較好的焊縫成型，需要對(duì)爐殼開(kāi)坡口焊接。在爐殼上開(kāi)單邊“Y”形坡口，坡口角度為50°～60°如圖2所示。

由于純銅的散熱好，降溫快，為保證達(dá)到預(yù)期焊接效果，要進(jìn)行熱輸入的增量保證，選用4 mm的鎢極，焊接電流保持在220A～300A 之間，引弧電流和收弧電流選用100A 和150A，氬氣流量采用10L·min-1，焊接參數(shù)如表2。

在焊接操作上，為了兼顧增加銅一側(cè)熱輸入及減少鐵元素在焊縫中的溶入量，操作時(shí)鎢極產(chǎn)生的電弧要偏向易散熱基材一側(cè)，并且增加停留時(shí)間，而基材和焊絲充分熔合后，電弧立即擺向鋼一側(cè)，鋼一側(cè)一旦熔化，電弧立即擺入熔池（實(shí)際鋼的熔化速度非常快），確保各基材熱輸入相近，使之充分熔合。焊接過(guò)程中焊劑的加入可以由焊工之外的人員加入熔池。

表2 焊接工藝參數(shù)

3 焊后處理

焊接結(jié)束后，立即采用保溫措施將施焊工件進(jìn)行緩冷降溫。緩冷過(guò)程中，可以延續(xù)熔池中氫、氧的逸出，并且可以提高銅的塑性，通過(guò)形變減弱焊接應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。待焊縫徹底冷卻后，使用銼刀清理焊縫表面的粘結(jié)物。

4 焊后檢驗(yàn)

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，焊縫成型良好，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、咬邊、氣孔、焊瘤、未熔合等缺陷。結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)方面，因?yàn)闋t殼的剛性較大，加上銅自身良好的塑性，結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變形。在使用前的水壓致密性檢測(cè)中，經(jīng)過(guò)1.2MPa、0.5 小時(shí)測(cè)試，焊接位置無(wú)滲漏現(xiàn)象發(fā)生。而且在多次的實(shí)際應(yīng)用中，亦沒(méi)有發(fā)生煤氣泄漏事故。達(dá)到了理想的效果。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析銅、鋼兩種金屬的物理性能，結(jié)合國(guó)內(nèi)外銅鋼異種金屬的焊接案例，總結(jié)實(shí)際施焊條件，分析了銅鋼兩種金屬、銅這種有色金屬的焊接可行性。選用鎢極氬弧焊作為焊接方法，選擇紫銅焊絲作為填充材料，輔助其它工藝，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，完成了銅鋼異種金屬的焊接，并在高爐爐役后期的護(hù)爐中得到應(yīng)用，且取得良好的效果。本文討論的銅鋼異種金屬焊接實(shí)踐中，所有的焊接檢驗(yàn)均是常規(guī)的外觀檢驗(yàn)，實(shí)際的力學(xué)、理化、金相檢驗(yàn)均未實(shí)施，在這些方面尚未得到充分驗(yàn)證，應(yīng)需繼續(xù)實(shí)施，對(duì)工藝進(jìn)一步優(yōu)化。