（机械工程专业论文）厚壁铁白铜管材焊接工艺研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 研究采用的试验材料为应用于造船工业的铁白铜厚壁管材( b f e l 0 1 1 ) 。 对铁白铜的焊接性进行了理论分析后，采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊两种焊 接方法对铁白铜厚壁管材进行了开坡口的焊接试验，并根据j b 4 7 0 8 2 0 0 0 的 标准进行了焊接工艺评定，制定了符合实际生产需要的焊接工艺。 材料焊接性分析表明铁白铜本身具有较好的焊接性能，如果能够控制厚 壁件的焊接应力和焊接变形，防止气孔的产生，采用焊条电弧焊和钨极氩弧 焊焊接方法是完全可行的。 焊条电弧焊和钨极氩弧焊焊接试验分别选用美国i n c o 公司生产的 m o n e l l 8 7 焊条( 相当于a w sa 5 6e c u n i ) 和m o n e l 6 7 焊丝( 相当于 a w sa 5 7e r c u n i ) ，在合理选择各项工艺参数的情况下，进行一系列的 焊接试验。据此，总结出了改进的手工钨极氩弧焊内填丝单面焊双面成形焊 接工艺。 按j b 4 7 0 8 - 2 0 0 0 的要求进行了焊接工艺评定试验。按j b 4 7 3 0 9 4 的规定 对管对接接头进行的射线探伤表明，焊缝质量不低于i i 级，焊缝内无裂纹、 未熔合和未焊透。拉伸试验、弯曲试验、冲击试验以及金相检验表明，采用 焊条电弧焊和钨极氩弧焊两种焊接方法所得到的焊接接头的力学性能指标完 全符合j b 4 7 0 8 2 0 0 0 的标准。 对大量试验数据进行整理，编制出了“b f e l 0 ，1 1 厚壁管材及其管路附件 ( 含b f e 3 0 1 1 法兰) 焊接工艺”，作为实际生产的依据。 关键词：铁白铜；焊接：焊接性分析；焊接工艺评定 哈尔滨下程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a t e r i a l si n v e s t i g a t e di np r e s e mp a p e rw e i et h i c k - w a l l e dp i p e sm a d eo f c o p p e r - n i c k e l i r o na l l o y ( b f e l o 一1 - 1 ) w h i c ha r eu s e di n t h e s h i p b u i l d i n g i n d u s t r y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fw e l d a b i l i t yo nt h ec o p p e r - n i c k e l - i r o na l l o y w a sm a d e ，a n db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew e l d a b i l i t y ，t h es h i e l d e dm e t a l - a r c w e l d i n g ( s m a ma n dt h et u n g s t e ni n e r tg a sa r cw e l d i n g ( t i g ) w e r ec h o s e nf o rt h e w e l d i n go ft h ei n v e s t i g a t e d m a t e r i a l s g r o o v e w e l d i n ge x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e do nt h et h i c k - w a l l e dp i p e s ，a n dt h e nw e l dq u a l i t ye v a l u a t i o nw a sc a r r i e d o u ta c c o r d i n gt ot h e j b 4 7 0 8 - 2 0 0 0 a s e to f w e l d i n gr u l e ss u i t a b l ef o rt h i c k - w a i l e d p i p e so fb f e l 0 1 1w e r ed r a f t e d ，w h i c hw i l lb ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n o ft h em a t e r i a l s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ew e l d a b i l i t yo nt h eb f e l o - 1 1s h o w e dt h a t t h ec o p p e r - n i c k e l i r o na l l o yh a sm o d e r a t ew e l d a b i l i t y , a n dt h u sf o rt h ew e l d i n g o ft h i c k - w a l l e dp i p e so ft h ea l l o y , t h es m a wa n dt h et i gm e t h o d sa r ef e a s i b l ei f l a r g e rw e l d i n gs t r e s s e s ，w e m i n gd e f o r m a t i o n sa n dp o r o s i t yc a l lb ea v o i d e dd u r i n g w e l d i n gp r o c e s s w e l d i n ge l e c t r o d em o n e l l 8 7 ( a w s a 5 6e c u n i ) a n dw e l d i n gf i l a m e n t m o n e l6 7 ( a w sa 5 7e r c u n i ) m a d ei ni n c oc o m p a n yw e l cc h o s e nf o rt h e w e l d i n ge x p e r i m e n t so fs m a wa n dt i gr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e d u n d e r c a r e f u l l y s e l e c t e dw e l d i n gp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n t s ，an e wi n n e r - f i l l e ro n e s i d et u n g s t e ni n e r tg a sa l ew e l d i n gw a s i n t r o d u c e d w e l dq u a l i t ye v a l u a t i o nw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ej b 4 7 0 8 2 0 0 0 r a d i o g r a p h i ce x a m i n a t i o nr e s u l t so ft h eb u t tj o i m so ft h ep i p e ss h o w e dt h a t a v e r a g ew e l dq u a l i t yi sa b o v eg r a d ei i ，i e ，n ow e l d i n gc r a c k s ，i n c o m p l e t ef u s i o n s o c c u r r e di nt h ew e l d t e n s i l et e s t s ，b e n d i n gt e s t s ，i m p a c tt e s t sa n dm i c r o s t r u c t u r e 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 e x a m i n a t i o n si n d i c a t e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e f l i e so ft h ew e l dj o i n t so b t a i n e d t h r o u g ht h es m a w a n dt h e1 1 gm e t h o d sm e tt h en e e do ft h c 以珥7 n 2 d d d b a s e do nt h ed a t ao fan u m b e ro ft h ew e l d i n ge x p e r i m e n t sp e r f o r m e do nt h e m a t e r i a l sa n dt h er e s u l t so f w e l dq u a l i t ye v a l u a t i o n , w e l d i n gr u l e sf o rt h i c k - w a l l e d p i p e so fb f e l m l 1w c r cd r a f t e d ，w h i c hh a v eb e e np r o v e dt oh es u i t a b l ef o rt h e a l l o ya n dw i l lb ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o no f t h em a t e r i a l s k e yw o r d s ：c o p p e r - n i c k e l - i r o na l l o y ；w e l d i n g ；w e l d a b i l i t ya n a l y s i s ；w e l dq u a l i t y e v a l u a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：赵蛰硷 日期：加年，月tf 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 常用的铜及铜合金有纯铜、黄铜、青铜、白铜四种，它们以其独特而优 越的综合性能，获得广泛的应用。其中以镍为主要添加元素的铜基合金呈银 白色，故称为白铜。在纯铜中加入镍能显著提高其强度、耐腐蚀性能以及热 电性。白铜作为一种高耐腐蚀性能材料，广泛应用于化工、海水工程中。在 焊接结构中使用的白铜多是。1 0 、2 0 、3 0 的合金。在铜一镍二元合金的 基础上加入铁则为铁白铜，加入不超过2 的铁不仅可以提高白铜的强度，而 且还可以防腐蚀开裂，特别是抗流动海水的腐蚀能力明显提高。 由于铁白铜b f e l o 一1 1 、b f e 3 0 1 1 具有良好的耐腐蚀性和耐海水性能， 因此，本课题所研究的铁白铜管材及其管路附件被应用于船舶海水系统，其 主要作用是排放海水。在试验中拟采用德国k m e 公司生产的b f e l o 一1 1 管材 和洛阳七二五所八室生产的b f e 3 0 一i 一1 法兰作为研究对象，b f e l o 一1 1 管材 的力学性能、化学成分分别见表1 1 和表1 2 。 由于铁白铜强度低、线膨胀系数大、高温易氧化，焊接时易产生气孔和 裂纹，所以在整个b f e l o 一1 1 管路系统中，质量最难保证而且最容易出现问题 的部位就是焊接接头。本课题将通过大量试验研究，总结出一套成功的焊接 工艺，使b f e l o - i - 1 管材及其与管路附件焊接接头的质量满足设计要求，从而 为船舶焊接质量提供有利而可靠的保证。 表1 1b f e l o - i - 1 铁白铜管力学性能 力学性能 备注 规格 批号 0b 5 i o ( 材质证件编号)m on 2 m p am p a 指标 3 0 02 5 m 3 4 0 x 1 61 4 1 1 81 5 33 3 13 0p 1 0 0 0 0 6 由2 2 0 x 1 11 4 1 1 31 3 63 2 63 2p 0 0 9 6 2 4 3 6 1 3 4 由6 0 x 4 53 8 8 21 1 0 2 6 9 3 6 03 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 2b f e l o 一卜l 铁白铜管化学成分 成分 c1 4 ns ips n i + c 0z nf es n p b c u 杂质 规格献 总和 、 指标 n0 50 5 - 1 0n 1 50 0 0 6n0 0 59 o _ 1 100 31 o - 1 a0 0 3n 0 2余量仉7 由3 4 0 1 6 0 3o 硒0 0 0 l0 0 1o 21 0 1 7 m o l 1 5 60 0 0 0 38 7 2 4余 由2 2 0 1 1 0 0 0 60 7 80 0 0 10 0 0 2o 0 0 31 0 3 2m 0 11 6 20 0 0 7 0 0 0 48 7 1 5 余量 0 0 0 8 1 0 8 70 咖0 蜥o 0 0 4 71 0 7 40 o 1 0 31 6 20 0 0 7 40 0 0 4 6o 1 1 6 由6 0 4 5余量 0 0 0 8 60 9 000 0 00 0 0 0 7o 0 0 4 91 0 8 30 0 1 0 61 6 60 0 0 7 50 0 0 4 70 1 1 7 1 2 国内外发展概况 白铜因具有优良的耐蚀性，且易于塑性加工和焊接，广泛用于造船、石 油、化工、电力、精密仪表、医疗器械等部门作耐蚀结构件。铁白铜中铁的 加入，使其在保持了良好的耐海水腐蚀性能的基础上，还具有更高的强度， 被广泛用于制造火力和原子能发电用冷凝器、船舶用冷凝器、供水加热器、 蒸馏器、油冷却器、蒸馏水装置等热交换器。 目前，熔焊是铜及铜合金焊接中应用最广泛，并容易实现的一类工艺方 法，除了传统的气焊、焊条电弧焊和埋弧焊外，近年迅速发展起来的钨极和 熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺已成功地用于铜及铜 合金结构的焊接中，并积累了不少较成熟的经验。目前焊接铜及其合金的焊 接方法多为氩弧焊。 钨极氩弧焊是氩弧焊的一种，它是在惰性气体的保护下，利用钨极和工 件之间所形成的焊接电弧熔化母材及焊丝的一种焊接方法。焊接时，保护气 体从焊枪的喷嘴中喷出，把电弧周围一定范围内的空气排出焊接区，从而为 形成优质的焊接接头提供了保障。氩气既不与金属起反应也不溶于金属，又 能有效地隔绝空气，所以对焊接区的保护效果非常好，几乎可焊接所有金属， 尤其适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属；钨极惰性气体保护焊， 电弧在燃烧过程中，由于电极不熔化，易维持恒定的弧长，且氩气热导率小， 又不与液态金属反应，也不溶于液态金属中，故不会造成焊缝中合金元素的 氧化烧损，易于获得性能优良的焊缝金属；同时填充焊丝不通过电弧区，不 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 会引起很大的飞溅，所以焊接过程十分稳定；由于电弧受到周围冷的氩气流 的压缩作用，弧柱产生收缩，致使热影响区较小，因此可有效的减小焊接应 力与焊接变形，特别适宜于焊接薄的材料；此外钨极氩弧焊焊后不需清渣， 减少了焊后清理的工作。但采用钨极氩弧焊，为了防止钨极的熔化和烧损， 必须采用较小的焊接电流，因而熔深受到限制，当焊件厚度在6 毫米左右时就 需开坡口，进行多层焊，致使焊接较厚板时生产率较低。 焊条电弧焊是一种最简单最灵活的熔焊方法。对于部分青铜和白铜，可 用焊条电弧焊焊接，本课题中拟采用此焊接方法。但对纯铜及大多数的铜合 金的焊接是不推荐采用此种方法的，因为焊条电弧焊的焊缝含氧、氢量较高， 容易出现气孔，焊后强度低、导电性、导热性严重下降。 由于船舶管路系统需承受较大的海水压力，故多采用厚壁管件。但目前 国内只具备薄壁管材及其管路附件的生产制造技术。对于厚壁b f e l o - i - 1 管材 及其管路附件的焊接及检验等，在国内均没有现成的标准可以遵循。通过试 验总结出一套钨极氩弧焊和焊条电弧焊的焊接工艺，用于b f e l o - i - 1 管材及其 与管路附件的焊接，就是本课题所需要解决的问题。 1 3 主要研究内容及预期结果 通过b f e l o - i - 1 管材及其管路附件焊接工艺试验研究，确定出能够应用 于b f e l o - 1 1 管材及其管路附件对接及搭接接头的钨极氩弧焊和焊条电弧焊 焊接规范参数及相应的坡口形式和尺寸，最终编制“b f e l o - i - 1 管材及其管路 附件( 含b f e 3 0 1 1 法兰) 焊接工艺”。 课题的研究以试验为主，主要内容包括以下几方面： ( 1 ) 铁白铜的焊接性分析 材料的焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要是指在一定的焊接 工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。金属材料焊接性分析是进行焊 接工艺试验以及编制焊接工艺的理论基础。通过焊接性分析，找出金属材料 在焊接中可能出现的问题，从而在制定焊接工艺时，采取针对性措施，避免 焊接缺陷，以保证焊接接头的性能。 ( 2 ) 焊接工艺试验 在母材和焊接方法都己确定的前提下，选择合适的焊接材料和焊接设备， 对不同尺寸的铁白铜管材进行焊接工艺试验，从而确定出合适的焊接工艺参 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数及相应的坡口形式和尺寸，以满足产品的设计要求。 ( 3 ) 焊接接头的焊接工艺评定试验 焊接工艺评定，就是按照所拟定的焊接工艺，根据有关规定进行焊接与 检验，检测焊接接头是否具有所要求的性能。根据焊接工艺评定结果并结合 实践经验来修订焊接工艺，作为焊接生产的依据。 试验主要是对由3 4 0 x1 6 r a mb f e l o - 卜l 管对接接头、巾3 4 0 x1 6 m b f e l o - 卜1 管与b f e 3 0 - - 1 一l 法兰对接接头、由2 2 0 x “嘲b f e l o - 卜1 管材对接 接头、由6 0 x 4 5 m 管对接接头进行焊接工艺评定试验。焊接工艺评定试验 的主要内容为外观检验、无损探伤、力学性能检验和金相检验。 ( 4 ) 编制焊接工艺 在焊接工艺试验及焊接工艺评定试验都获得满意的结果基础上，总结出 一套合适的焊接工艺，作为实际生产的依据。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章铁白铜焊接性分析 2 1 铁白铜焊接时易产生较大的变形和应力 b f e l o - i - 1 和b f e 3 0 - 卜l 铁白铜的物理性能见表2 1 ，从表中可以看出其 热导率接近于低碳钢，又由于其具有较好的综合力学性能( 见表1 1 ) ，即具 有较高的塑性和韧性，因而铁自铜在焊接时，不易形成冷裂纹；其次由于铁 白铜为铜镍合金，显微组织是单一的a 固溶体，并且在加热和冷却过程中不 发生相交，因此在焊接时也不会形成淬硬组织，因此铁白铜在焊接前不需要 预热。但由于铁白铜的线膨胀系数比低碳钢高，因此焊接时可能产生较大的 变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻，就会在结构内产生很大的内应力。 表2 1 铁白铜、低碳钢、奥氏体不锈钢的物理性能 茹警 热导率线膨胀系数 材料种类 w m k b f e l o - i - 14 61 6 3 x 1 0 。 b f e 3 0 - 1 - 13 71 6 0 1 0 1 低碳钢( u c 0 1 )6 31 1 3 1 0 4 奥氏体不锈钢1 8 7 - 2 2 8 2 2 易形成结晶裂纹 液态的熔池金属由高温逐渐冷却的过程中，先结晶的金属较纯，后结晶 的金属为杂质含量较多的低熔点共晶体。在焊缝金属结晶后期，低熔点共晶 体被排挤在柱状晶交界的部位，从而在晶界形成一种所谓的“液态薄膜”，此 时由于焊件收缩而使焊缝处受到拉应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱 地带，在拉应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。 对于铁白铜，由于其含有较多的合金元素，这些合金元素与氧、铅、铋 等有害杂质可形成低熔点共晶体。在焊缝金属结晶后期，这些低熔点共晶体 就会在晶界形成液态薄膜，如果受到拉应力的作用就有可能产生结晶裂纹； 母材中s 的存在，会与铜形成c u 2 s ，c u 2 s 与c u 的共晶温度低于铜合金的熔 点，也会增加焊缝形成结晶裂纹的倾向；此外，b f e l o 一1 - 1 铁白铜及b f e 3 0 1 1 铁白铜为铜镍合金，在焊接过程中无明显的相变过程，而且n i 与s 极易形成 低熔点共晶体，而导致结晶裂纹的形成；同时与低碳钢相比，b f e l o 一卜l 铁 白铜及b f e 3 0 一卜1 铁白铜的线膨胀系数和收缩率较大，增加了焊接接头的拉 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 应力，更增加了接头产生结晶裂纹的倾向。因此，在制定焊接工艺时，应注 意防止结晶裂纹。 2 3 易产生气孔 金属材料在焊接过程中所产生的气孔主要有扩散气孔和反应气孔两类。 扩散性气孔是由于高温时金属溶解了较多的气体，如h 。和n 2 ，而当金属结晶 或发生相变时，气体的溶解度将急剧下降，见图2 1 所示，则气体就会极力向 外逸出，若焊缝的结晶速度较快，气体来不及逸出而残留在焊缝内部，就会 形成气孔，这种气孔称为扩散气孔，如氢气孔和氮气孔；反应性气孔是由于 金属在高温时发生冶金反应而生成不溶于金属的气体，如c o 和h 2 0 等，这些气 体由于不溶于金属，所以会极力从熔池中向外逸出，但若结晶速度较快，气 体来不及逸出，就会形成气孔。 【 | 朱 j 石， 6 0 01 0 0 00 0 1 8 0 02 2 0 00 6 0 0 图2 1 氢，氮在铁中的溶解度与温度的关系 气孔是铜及铜合金焊接时一个主要问题。铜焊接时所产生的气孔也主要 是由溶解的氢直接引起的扩散气孔和氧化还原反应引起的反应气孔。铜自身 的性质使产生这两种气孔的倾向大大加剧，成了铜熔焊中的主要困难之一。 氢在铜中的溶解度也和在钢中一样，当铜处在液一固转变时氢的溶解度有一突 变，并随温度升降而增减，见图2 2 所示。在平衡状态下，氢在铜中的溶解度 随温度升高而增大，直到2 1 8 0 ( 2 时氢在铜中的溶解度达最高值，此时，铜的 最高溶解度与熔点溶解度的比值为7 2 ，而铁的相应比值仅为1 6 。焊接过程 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不同于平衡状态，通过特殊试验装置，测出钨极氩弧焊时，当加入2 的氢到 氩气中，发现铜的高温熔池有较大的吸氢能力，对氢来说，其高温熔池平均 溶解度与熔点溶解度的比值为3 7 ，而用同一方法测定出铁的相应比值仅为 1 4 。即铜焊接时，高温熔池吸氢量为熔点溶解度的3 7 倍，而铁则只为1 4 倍。因此铜焊缝结晶时，其氢的过饱和程度比钢焊缝大好几倍，形成气孔的 倾向也大大增加。 白铜是铜一镍合金，其中的镍可急剧提高氢在铜中的溶解度，而且由于白 铜熔点低，焊缝结晶过程进行得特别快，因此氢也不易析出，使焊缝对氢气 孔就更加敏感。铁白铜与白铜的化学成分相近，因此对氢气孔也非常敏感。 7 c 7 ? 图2 2 氢在铜中的溶解度和温度的关系 反应气孔是通过冶金反应生成的气体引起的。在高温时铜与氧有较大的 亲和力而生成c u 2 0 ，它在1 2 0 0 以上能溶于液态铜，在1 2 0 0 就从液态铜中 开始析出，随温度下降，其析出量也随之增大，与溶解在液态铜中的氢发生 下列反应：c u ：o + 2 h = 2 c u + h ：o ，所形成的水蒸气不溶于铜中。当熔池结晶速度 较快时，水蒸气来不及逸出而形成气孔。 因此，铁白铜焊接时极易形成气孔。 2 4 本章小结 通过对铁白铜的焊接性分析，得知铁白铜本身可焊接性较好，在焊前不 需预热。但对于厚壁管件，焊后易出现较大的焊接应力和焊接变形，焊接接 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 头的热裂倾向及气孔倾向也较大，在制定焊接工艺时应采取有效措施防止这 些问题的出现。 8 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第3 章铁白铜管及其与法兰焊接工艺试验 3 1 试验用焊接材料及设备 在试验中采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊两种焊接方法。焊接厚壁铁白铜 管及其与铁白铜法兰对接接头时，首先采用手工钨极氩弧焊进行打底，并填 充至焊缝厚度为6 m m 左右，再采用焊条电弧焊来完成后继焊缝的焊接，也可以 全部采用钨极氩弧焊焊完，但焊接生产率低。对于铁白铜管与法兰的搭接接 头和小直径支管的焊接采用焊条电弧焊。 由第2 章铁白铜的焊接性分析已知，铁白铜在焊接时，易产生气孔和裂纹， 而这两种焊接缺陷的产生都与氧的存在有关，由于母材本身不含有脱氧元素， 见表1 2 所示，因此为获得优质的焊缝，需要采用含脱氧元素的焊丝或焊条来 控制冶金反应。根据a w sa 5 6 - 8 4 和a w sa 5 7 - 8 4 的推荐，b i o 、b 2 0 和b 3 0 以及 它们彼此之间的焊接，都可以采用符合a w sa 5 6 8 4 和a w sa 5 7 8 4 的e c u n i 焊条和e r c u n i 焊丝。其工艺性能好，具有较好的强度和良好的塑性、韧性和 耐腐蚀性。可用于焊接导电铅铜排、铜制热交换器，冷凝器、船舶核容器用 的耐海水腐蚀等构件，也用于耐海水腐蚀的碳钢零件的堆焊和其它要求耐蚀 的镍基合金的焊接。 选用美国i n c o 公司生产的m o n e l l 8 7 焊条( 相当于a w sa 5 6e c u n i ) 和 m o n e l 6 7 焊丝( 相当于a w sa 5 7e r c u n i ) 进行试验。焊接材料的选用见表3 1 ， 其熔敷金属力学性能和化学成分分析检验结果分别见表3 2 和表3 3 。由表3 3 可知，m o n e l l 8 7 焊条和m o n e l6 7 焊丝中含有一定量的m n 、s i 、t i 等脱氧元素， 并且m n 具有脱s 的作用，因此，可以通过控制冶金反应，来减少气孔和裂纹的 形成。试验结果也表明，在正确的焊接工艺条件下，采用这两种焊接材料焊 接，可有效的防止裂纹和气孔。 在试验中，对于钨极氩弧焊采用加填充焊丝，一方面可以满足焊接过程 中冶金作用的需要而保证焊缝成分，防止气孔和裂纹的形成；另一方面管子 进行对接试验时，由于所焊环缝属于空间位置焊，所以处在仰焊位置的焊缝， 由于熔池铜水在重力作用下具有向下的趋势，会在打底焊缝的内表面出现凹 陷的现象。因此在进行根部打底焊时，采用内填丝工艺还可防止打底焊缝的 内表面出现凹陷现象。 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 表3 1 焊接材料选用制度 焊接材料 母材 钨极氩弧焊( t i g )焊条电弧焊( s m a w ) b f e l o - 1 - 1b f e l o 1 - 1 m o n e l 6 7 焊丝矾0 n e l l 8 7 焊条 b f e l o - 1 - 1b f e 3 0 1 1 m o n e l 6 7 焊丝n e l l 8 7 焊条 表3 2 焊接材料熔敷金属力学性能 规格 检验项目 牌号批号 oh 6s 侧弯试验 m p a 指标 3 4 5 3 0d = 26 a = 1 8 0 。 蛐d n e l l 8 7 焊条 由2 4w c 0 6 f o 3 8 0 4 9 合格 由3 2w c l o f 63 8 54 5 合格 m o n e l 6 7指标 3 4 5 3 0 d ：26 a = 1 8 0 。 焊丝 巾1 6c n 7 6 a 7 h3 8 53 3 合格 表3 3 焊接材料熔敷金属化学成分 、化学成分 cls i 。 psh it if ec unz n s n 焊接材料、 指标 0 0 41 o2 5 0 2n0 l 2 吼0 -0 2 0 4 0 余量 0 0 2徽量 微量 u o n e l 6 7 焊丝 3 2 00 50 7 5 士1 6 入厂检验 吼0 l0 7 20 1 40 0 0 40 ，0 0 53 仉6 2o 2 70 5 1余量0 0 0 5 1 o 一 2 吼o _ 0 4 0 - 指标 n0 5 0 5o 0 2n0 1 5n5 余量 0 0 2徽量 徽量 2 s 3 & o0 7 5 舯陀l 1 8 7 焊条入厂 毒2 4 0 0 l1 5 2 0 3 2 0 0 1 50 0 0 63 1 80 0 f i 2余曹 0 0 1) 0 0 l d0 0 0 5 睑验 m 32 0 0 li 5 2o 3 3 n0 1 50 0 0 7 3 i 70 0 70 6 3采量 7 7 7 丽 n ) i o ) 图3 3 大电流焊接时钨极端部形状对弧态的影响 a ) 端部呈尖锥角b ) 端部呈平顶锥形 ( 3 ) 喷嘴 焊枪的喷嘴材料有陶瓷和金属两种。金属喷嘴用不锈钢、黄铜等材料制 成，其使用电流可达5 0 0 安培，但使用中应避免喷嘴和焊件接触而打弧，因此 多用于自动钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊中：高温陶瓷喷嘴既耐热又绝缘，并 能防止和焊件接触时打弧，陶瓷喷嘴的使用电流通常不超过3 0 0 安培，多用于 手工钨极氩弧焊，因此本试验采用陶瓷喷嘴。 ( 4 ) 喷嘴孔径 通常喷嘴孔径的大小根据钨极直径确定，它们之间的关系为： d = - 2 d + ( 2 5 ) m m ( 4 1 ) 式中，d 为喷嘴孔径，m m ：d 为钨极直径，砌 根据钨极直径d 为2 4 m m 和3 2 m ，确定喷嘴孔径为8 l o m m 。 ( 5 ) 焊接电流种类和极性的选择 钨极氩弧焊可以采用交流和直流进行焊接。根据电源极性接法的不同， 直流钨极氩弧焊可分为直流正接和直流反接两种。 交流钨极氩弧焊由于电流的方向周期性变化，因此使电弧的引燃和电弧 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的稳定性都不如直流好，且电流的允许使用值也低于直流正接，见表3 5 所 示。因此本试验不采用交流焊接。 当采用直流反接时，钨极接正极，焊接时钨极会受到大量电子的轰击而 产生大量的热，因此很容易使钨极氧化烧损，造成电弧不稳定的现象；为了 防止钨极的烧损，通常许用电流值很低，见表3 5 。 当采用直流正接时，钨极接负极，由于钨极熔点高，热发射电子的能力 强，非常有利于电弧的引燃和电弧的稳定燃烧；此外由于钨作阴极，钨在发 射大量电子的同时，这些电子要从阴极带走大量的能量，从而对阴极有较强 的冷却作用，因而钨极上的热量较小，不易过热烧损，可以采用较大的许用 电流，见表3 5 所示，钨极的使用寿命也较长；由于工件接正极，工件会吸 收电子所释放的大量的能量，从而在工件上产生大量的热，这样会增加焊缝 的熔深，获得深而窄的焊缝，焊缝成形好，焊件变形小，生产率较高。 表3 5 不同直径的钨极所允许的电流范围 a 焊接电流 钨极直径m 交流直流正接”直流反接 w w 卜t h耳w t h 2 41 0 0 1 8 01 5 0 2 5 01 5 3 0 3 21 5 0 2 5 02 5 0 4 5 02 5 4 0 所示电流范围，下限为用钨极时许用电流的下限，上限为用w - t h 极时使用电流 的上限 因此为了采用较大电流焊接，防止钨极烧损，保证电弧的稳定燃烧，采 用直流正接。 ( 6 ) 焊接电流的选择 焊接电流是最主要的焊接工艺参数之一。因为没有现成的b f e l o 一1 1 和 b f e 3 0 一i 一1 焊接参数的参考数据，但由于铁白铜的热导率大约为奥氏体不锈钢 热导率的一倍，见表2 1 所示。渤船重工焊接实验室对于不同厚度的不锈钢管 的焊接工艺参数有较全面的实验数据，因此在初选焊接电流时以相同厚度不 锈钢管对接接头的焊接电流为参考，焊接铁白铜时的焊接电流比焊接不锈钢 时大一倍左右。通过大量的试验，最终确定不同规格母材的焊接电流见表3 6 所示。 在焊接试验中发现，若电流太大，钨极烧损较严重，在焊缝中会产生夹 哈尔滨| t 程大学硕士学位论文 钨的现象，并且会产生咬边的现象，甚至在打底焊时产生焊漏的现象；若焊 接电流太小，会产生电弧不稳，甚至出现未焊透的现象。 表3 6 手工钨极氩弧焊焊接工艺参数 手工钨极氩弧焊焊接上艺参数( d c + ，由1 6 衄焊丝) 打底焊缝填充焊缝 管子壁厚6 氲气氨气 钨扳钨睽 电流电压焊接速度电流电压焊接速度 l m i nl m i n 直径 av 直径 a v c m m i n l 血 焊枪背部焊枪背部 3 8 6 1 0 0 一1 3 01 2 0 - 1 5 02 5 2 0 2 4 1 2 - 1 6 4 - 6 8 一1 2 3 21 4 一1 86 88 - 1 2 6 8 1 0 1 3 0 1 5 01 4 0 1 7 02 5 2 5 1 0 8 1 6 1 4 0 1 8 01 6 0 _ 2 0 02 5 ( 7 ) 电弧电压的选择 焊接时，尽量采用短弧焊，因为电弧太长，会使气体保护效果变差而产 生气孔，甚至产生未焊透及咬边的现象；但电弧也不能太短，若电弧太短时， 很难看清熔池，送丝时也容易碰到钨极引起短路，使钨极受到污染，并加大 钨极烧损，还容易产生夹钨的现象。通过试验所确定的电弧电压见表3 6 所示。 ( 8 ) 焊接速度的选择 通过试验确定的具体焊接速度见表3 6 所示。在试验中发现，焊接速度过 大，会在焊缝中产生未焊透、气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷，尤其是气孔倾 向非常大，这是由于气体保护效果变差所致；若焊接速度过小，一方面会降 低焊接生产率，另一方面焊缝中可能出现咬边的现象，在打底焊时，还会造 成焊穿的现象。 ( 9 ) 保护气流量的选择 只有气体流量和喷嘴孔径获得良好的匹配关系，即对于一定直径的喷嘴， 有一个获得最佳保护效果的气体流量，从流体力学中知道，在管道中气体的 流动状态有层流和紊流两种形式，见图3 4 所示。层流流动的气体质点在管道 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内呈有规则的层状或束状运动，质点之间不产生相互干扰或混杂，气体保护 效果好；紊流指气体质点在管内流动时相互干扰或混杂，在气体内部出现很 多漩涡，气体保护效果差。气体流动的层流和紊流状态是可以相互转化的。 当气体流量过小，从喷嘴中喷出的气体挺度差，排除周围气体的能力减弱， 抗干扰能力差，保护效果不好；流量过大，易使层流层减薄，使空气易混入， 降低保护效果。 ，轴向速度 径向速度分量 轴向速度分量 q ) 厶 一 一 一 ， b ) 图3 4 气体的层流和紊流 a ) 层流状态b ) 紊流状态 保护气流量可根据喷嘴孔径确定，它们之间的关系为： q = ( 0 8 1 2 ) d( 4 - 2 ) 式中，q 为氩气的流量，l m i md 为喷嘴孔径，舢 根据经验公式及多次试验确定保护气流量为8 1 2 l m i n 。 在选择氩气流量时还要考虑外界气流和焊接速度的影响：焊接速度越大， 保护气流遇到的空气阻力越大，它使保护气体偏向运动的反方向，气体保护 效果越差；若焊接速度过大，将失去保护作用。因此，在增加焊接速度的同 时应相应的增加保护气体的流量。在有风的地方焊接时，应适当增加保护气 体流量。一般最好在避风的地方焊接。 此外，在焊接过程中，为了保护内壁金属在高温时不氧化，管子内部必 须时刻充足量的氩气，见表3 6 所示，尤其在打底焊时更应如此，否则就会产 生大量气孔。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 对接接头焊条电弧焊焊接工艺参数试验 ( i ) 电流种类和极性 采用直流反接进行焊接。因为此时工件接负极，焊条接正极，焊条上的 产热量较高，有利于焊条的快速熔化，加快金属的填充速度，对提高生产率 有利；此外，位于电弧气氛中的h + 在电场的作用下，向处于阴极的熔池运动， 并在熔池表面与电子中和，溶入金属中。相对熔滴而言，由于熔池温度低且 比表面积小，所以液体金属中氢的溶入量少，有利于减少氢气孔。 ( 2 ) 焊条直径的选择 开v 形坡口焊接时，第一层若直径过大，则焊条不能深入，造成焊缝根 部未焊透。此外在进行空间位置焊接时，应选择小直径的焊条，否则熔池加 大，易造成铜水下淌，焊缝成形不好。根据实际情况，选择由2 4 m 和巾3 2 m m 的焊条。由2 4 m 的焊条主要用于打底焊和间隙比较小处的焊缝的焊接，由 3 2 m 的焊条用于填充焊。 表3 7 焊条电弧焊工艺参数 焊条电弧焊工艺参数( d c 一) 管子壁厚6 接头形式 m由2 4 m m 焊条由3 2 u 焊条 电流电压焊接速度电流电压焊接速度 a v c m m l n av c m m l n 管一管 6 6 1 05 0 - 7 02 1 2 36 88 0 - 1 0 02 2 2 48 一l o 对接接头 1 0 6 1 67 0 - 9 02 2 - 2 48 - 1 01 0 0 - 1 2 02 3 - 2 51 0 一1 2 管一法兰 6 6 - - - 3 5 0 7 0 2 1 - 2 36 - 88 0 1 0 02 2 - 2 48 - 1 0 ( 3 ) 焊接电流的选择 经过大量试验最终确定焊接电流见表3 7 所示。在焊接过程中，焊接电流 过大，会造成焊条过热而成段爆断，产生大量的飞溅，甚至会出现后半根焊 条发红变软、药皮脱落的现象，最终造成焊缝成形不良，甚至产生气孔等缺 1 8 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 陷；电流过小，会造成电弧燃烧不稳定或难以引弧，焊缝熔深浅，容易产生 未焊透、焊缝成形不良等缺陷。 ( 4 ) 电弧电压和焊接速度的选择 电弧电压和焊接速度一般由焊工掌握。焊接时，弧长过长，易造成电弧 飘荡、飞溅增加，并且易产生气孔、咬边、未焊透等缺陷，因此，在焊接过 程中，尽可能采用短弧焊接，试验所测电弧电压见表3 7 所示；焊接时若焊接 速度太快，会产生成形不良、未焊透等现象。若焊接速度太慢，易造成烧穿 和满溢现象，试验中所测的焊接速度见表3 7 所示。 3 6 搭接及角接接头形式、坡口尺寸及工艺参数试验 对于厚壁6 3 m m 的b f e l o 一卜1 铁白铜管支管接头和b f e l o 一1 1 管与 b f e 3 0 - 1 1 法兰搭接接头，全部采用焊条电弧焊焊接。定位焊及打底焊采用 0 2 4 m l 的焊条，填充焊采用中3 2 r m 的焊条。 b f e l o 一1 1 铁白铜管与b f e 3 0 1 1 铁白铜法兰的搭接及支管角接接头见 图3 5 、图3 6 所示。通过大量焊接试验，最终确定坡口及焊缝尺寸见表3 8 所示，焊接规范参数列于表3 7 中。 法兰 图3 5 管子与法兰搭接焊坡口形式 管子 i - 图3 6 管子支管接头坡口形式 表3 8 搭接接头及角接接头坡口及焊缝尺寸 啪 坡口及焊缝尺寸0 。 ck 数值6 0 26 + 1 在采用焊条电弧焊焊接b f e l o 一卜1 铁白铜管与b f e 3 0 一卜1 铁白铜法兰搭 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接接头时，尤其是焊接厚壁大直径接头时，会产生电弧向b f e 3 0 - 1 - 1 铁白铜 一侧强烈偏吹的现象，这时，飞溅很大，焊接电弧很难控制；为保证焊缝质 量，焊工在操作时需将电弧指向b f e l o 一1 - 1 铁白铜管一侧并尽量压低电弧， 或者直接采用钨极氩弧焊焊接。采用钨极氩弧焊焊接时，不会产生电弧偏吹 现象。 3 7 气孑l 及裂纹的防止措施 在第2 章中，已论述铁白铜焊接时易产生气孔和裂纹。在对b f e l o - 卜l 铁 白铜管及其与b f e 3 0 - 1 - 1 铁白铜法兰对接接头钨极氩弧焊和焊条电弧焊焊缝 进行射线检验时，经常发现比较多的超标气孔，而尤以焊条电弧焊焊缝中的 气孔最为严重，解剖发现，焊条电弧焊焊缝中的气孔均为沿焊缝长度方向分 布的长条状气孔。通过大量的试验，总结出几点预防气孔的措施： ( 1 ) 无论是采用钨极氩弧焊还是焊条电弧焊，每焊接一道焊缝之前，必 须用铝基砂轮清除掉前一焊道焊缝表面的氧化膜、飞溅和其它杂质。 ( 2 ) 氩弧焊时，为了加强气体保护效果，应使用高纯度的氩气( 纯度 9 9 9 9 9 ) ，而且保护气流量应严格按照规定执行。在进行打底焊时，管子背 面也要通足量的氩气保护。 ( 3 ) 焊条电弧焊时，采用直流反接也可减少气孔的生成。 ( 4 ) 焊条电弧焊时，应严格执行焊条烘焙程序和领用程序，即焊条应进 行3 1 0 3 2 0 烘焙2 4 , 时，并且使用可通电加热的保温筒领用焊条。 ( 5 ) 焊条电弧焊时，应防止焊道过热氧化而产生反应气孔，为此应禁止 过早敲掉渣壳，并保证层间温度控制在1 2 0 c 以下。 ( 6 ) 采用短弧焊接，在焊条电弧焊时应控制焊道宽度不超过焊条直径的 3 倍。 ( 7 ) 焊缝厚度不宜超过3 m ，否则气体不易逸出。 ( 8 ) 选择使用含有一定脱氧元素钛、硅、锰的焊丝或焊条。 ( 9 ) 控制环境湿度，当环境湿度超过8 5 时禁止施焊。 在进行试验的过程中，焊缝产生裂纹的倾向不大，但为了严防裂纹的产 生，在焊接时应注意以下几点： ( 1 ) 严格限制母材与焊接材料中的氧、铅、铋、硫等杂质含量。 ( 2 ) 增强对焊缝的脱氧能力，通过焊丝或焊条加入硅、锰、钛等合金元 2 0 哈尔滨工程大学硕七学位论文 素。 ( 3 ) 尽量采用加热集中的焊接方法如钨极氩弧焊，控制