铜与碳钢焊接工艺.doc

焊接工艺 紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊鞍山热能研究院设备研制厂（114044）摘 要 通过紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊的生产实践，对铜钢焊接易产生裂纹、未熔合和气孔等缺陷进行了试验分析，并采用了合理的焊接工艺，提高了焊接接头的力学性能，保证了工件质量。关键词：紫铜 低碳钢 熔化极氩弧焊0 前言 紫铜具有优良的导电和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件的关键部位采用紫铜，而其他部位则采用成本低廉的低碳钢材料。这种结构多数采用焊接方式，紫铜与低碳钢的焊接质量相对整体结构来说也变得尤为重要。 在众多焊接方法中，熔化极氢弧焊以其电弧热量集中、高效、焊接质量好等优点，而被广泛采用。1 紫铜与低碳钢的焊接性分析1.1 难熔合及易变形 由表1看出，铜与钢的导热系数、线胀系数和收缩率差异较大，这对保证铜与钢的焊接质量非常不利。 铜的导热系数大，20时铜的导热系数比铁大7倍多，1000时大11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。 铁与铜在液态下完全不互溶，只能呈机械混合状态，这是焊接的最大难点，只有“机械式”互相结合，而无冶金结合。 铜的线胀系数和收缩率也比较大。铜的线胀系数比铁大15，而收缩率比铁大一倍以上。焊接时如工件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻会产生很大的焊接应力。1.2 易产生裂纹 在铜与钢焊接时，在焊缝金属晶粒间存在低熔点共晶，如（CUCU2O）共晶体（共晶温度为1065，低于铜的熔点）等。在结晶后期，这些共晶体以液态形式分布在固态铜的晶粒边界，割断了固体晶粒间的联系，使晶粒间结合力受到削弱，使焊缝金属的塑性显著下降，再加上铜和钢的线胀系数和收缩率差异较大，在焊缝冷却凝固过程中将产生较大的焊接应力。因此，当铜钢焊缝强度、塑性显著下降，并且焊件中存在内应力时，就在接头的脆弱部位形成热裂纹。1.3 气孔 铜与钢焊接时，焊缝中常会出现气孔。 基于对铜钢焊接性的分析，制定合理的焊接工艺是保证铜钢焊接质量的前提，严格遵守操作规程才能使铜钢焊接接头质量得以保证。2 紫铜与低碳钢的悍接工艺要点（以环缝焊接为例）2.1 焊接材料的选择 铜钢熔化极氩弧焊常用焊丝牌号为HS201，焊接接头可获得满意的力学性能。2.2坡口形式的选择 总结多年生产经验，铜钢焊接坡口形式有以下5种形式可供选择（图1）。 曾对以上5种坡口形式进行对比实验，图1d应是首选的坡口形式。2.3 坡口清理 用机械法或化学法去除坡口表面及两侧（约30mm以内）的油污、水分、氧化物及其它夹杂物，使其露出金属光泽。尤其是钢侧锈蚀必须清理于净，以杜绝由于锈蚀造成的未熔合缺陷的产生。2.4 工件预热 铜钢焊接前必须对紫铜件进行预热。由于紫铜工件越大，散热越快。因此，预热温度应遵循随工件越大，预热温度越高的原则，一般的预热温度以600700为宜。2.5 焊接 由于铜导热性好，为防止焊缝出现缺陷，应采用大热输入焊接。紫铜与低碳钢熔化极氩弧焊的焊接参数见表2。 传统的铜钢焊接工艺要求焊丝必须偏向铜一侧，以保证铜母材有足够的热量输人，使之熔化。这种操作技术很难掌握，焊丝偏离焊缝中心线距离过大，不能保证钢母材金属充分熔化，极易产生未熔合缺陷，合适的距离与紫铜工件的大小和壁厚有关，不是固定的数值。根据多年的生产经验和熔化极氩弧焊热量集中的特点，在足够的预热温度下，焊丝对准坡口中心，即可保证铜侧和钢侧母材充分熔化，从而减少钢侧未熔合缺陷的产生，也有利于焊缝的成形。 另外，施焊位置也至关重要。一般打底焊施焊位置以时钟12点至12点30 分外为宜。 施焊位置靠前，熔池金属易流淌，且不利于焊缝成形，也不利于下层焊道的施焊；施焊位置靠后，熔化的填充金属流淌到未熔化的根部坡口上，电弧始终吹在熔化的填充金属上，在电弧温度不足以使根部母材熔化时，即形成根部未焊透及根部未熔合。 盖面焊时，根据工件的回转半径，施焊位置可适当向后移。 再者，适当的焊接速度对保证铜钢焊缝质量也是至关重要的。过快、过慢均易产生未熔合缺陷，合适的焊接速度要根据送丝速度和工件预热温度来确定。2.6 焊后保温 工件焊后，应保温缓冷。这样，可扩大焊接区温度场，减弱焊接应力，防止裂纹产生。3 焊接检验3.1 拉伸试验 严格执行上述工艺，即可得到满意的紫铜和碳钢焊接接头。按国家标准GB26489截取试块制成力学性能试件，并进行拉伸试验，结果，每个试件的b均大于230 MPa。可见，铜钢焊接接头抗拉强度高于紫铜（b196235.2 MPa）。3.2 金相检验 经金相检验，焊缝内部组织均匀；紫铜和紫铜熔合区过渡均匀，结合良好；紫铜与碳钢熔合线平直，无孔洞，且Cu和Fe相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。4 结论 （1）通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能，证明焊接工艺及其参数是合理的； （2）紫铜与低碳钢的物理性能和化学成分差异很大，铜钢焊缝易产生很多缺陷，如裂纹、未熔合、气孔等，但只要执行合理的焊接工艺，熟练掌握焊接操作技术，仍能获得满意的铜钢焊接接头。作者简介：苏在静，1951年生，高级工程师。摘要】 采用钨极氩弧焊焊接紫铜与不锈钢（或碳钢)的管板接头，进行了系列的焊接工艺试验，探索出与之相适应的焊接材，其工艺性能良好、操作方便、焊接质量稳定等特点。该工艺打破了娄似接头采用传统的铺锡钎焊方法，大大降低了工艺程难度、制造成本，缩短了生产周期、提高焊接接头的强度。 关键词：管板钨极氩弧焊热裂纹强度实验的提出该试验主要是针对透平膨胀机供油装置上的冷却器紫铜-不锈钢(碳钢)管板接头在焊接中出现的问题而提出的。该类接头目前采用的是紫铜管与黄铜板材料，这样是为了便于采用锡钎焊：同时为了提高耐压值使用了胀接工艺，另外为了方便进行整体铺锡，还特意把黄铜板的管孔附近设计工艺槽。由于钎焊与胀接是互相矛盾的丁艺，胀接需冷收缩而铺锡要热膨胀，往往先胀接好的管口一经加热就出现松动现象，造成漏锡及接头强度降低，有些接头根本达不到使用要求，最后只得采取管口封死等措施，才能保证使用。据了解，目前低温机械公司生产的冷却器，基本上每台都有出现此类情况，造成冷却效率下降。即使采用这样复杂的工艺，接头的强度也还是比较低，大约只能承受2.5MPA左右，而油泵的最大供油压力为4.0MPA，这给装置的正常运行带来了隐患。最后一点就是采用整体铺锡钎焊方式，产品外观质量较差。因此，就迫切的要求找到一种既能提高接头的焊缝强度，又简便易于实现，同时又能降低成本的焊接工艺方法。根据多收集资料、了解专业信息，从分析钢与紫铜的焊接性能入手笔，我们提出采用手工钨极氩弧焊工艺解决该接头强度及气密性的问题。 二钢与紫铜的焊接性能分析1、钢与紫铜的焊接特点Fe与Cu的原子半径、点阵类型、晶格常数及外层电子数都比较接近，这对钢与紫铜之间的焊接比较有利。但是，钢与紫铜的熔化焊接还有一定的难度，主要如下：(1).钢与铜的物理性能不同，熔点及线膨胀系数差异大。紫铜的线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接应力。(2).铜的导热系数是钢的8倍多，熔池的冷却速度比钢要大得多，氢的扩散逸出和水的上浮条件更为恶劣，形成气空的敏感性增大。(3).在焊缝或近缝区易产生热裂纹，影响接头的强度及气密性，这是焊接工艺中重点要解决的问题。由于钢与紫铜中含有定量的杂质，如氧、硫、磷等。在焊接过程叫，这些杂质元素易形成各种低熔点的共晶体和脆性化合物而存于焊缝晶界处，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力，是焊缝产生热裂纹的主要原因。此外，焊缝中的铁元素对热裂纹倾向的影响比较大。据有关资料介绍，当铁含量在1043时，焊缝具有最好的抗裂性能。因此，控制焊缝的熔合比是相当重要的环节。2.焊接要点(1)合理控制焊接热循环，改善焊接应力状态和消除氧化物、硫化物以及低熔点共晶体的有害作用。具体地的方法就是采用热量集中的焊接方法，即:手工钨极氩弧焊接。另外可采焊前预热的办法。(2).正确选择焊接材料，控制焊缝的化学成分，限制有害杂质的含量。(3)拧制焊缝熔介比，以保证铁在焊缝中的含量在1043之间，使焊缝具有良好的抗裂性能。(4)采用合理的接头型式，改善接头的工艺性能和抗裂性能。(5)严格进行焊接前期处理。三、实验方法、内容及接头性能1试验依据：参照CBl51附录C的要求进行。 2试验：采用不同的焊接材料及坡口型式进行实验 3检验内容：焊缝外观进行渗透检测(PT)、剖面进行金相宏观检测、强度及气密性试验。强度及气密性试验：4各种试验方法及检测结果：(1)紫铜与不锈钢管板接头的焊接见下表：序号   焊接材料焊接规范参数表面渗透检测 宏观金相 强度及气密性试验 备注1 H0Cr21Nil0 焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99大量裂纹 裂纹未融合 未进行 试板管口未倒角 2HS224 焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99裂纹气孔 未进行 未进行 试板管口倒角245 3纯镍焊丝(采用Z308焊条的焊芯代焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99 表面气孔 气孔夹沙 未进行 试板管口倒角245 4 纯镍焊丝N6焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99 表面气孔 单个气孔 未进行 试板管口倒角245 5HS201 焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99无裂纹气孔等缺陷无宏观缺陷压力=6.0MPa。满足要求1.试板管口倒角2452.管规格101 6HS201焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99无裂纹气孔等缺陷无宏观缺陷压力=6.0MPa。满足要求1.试板管口倒角2452.管规格163 (2).紫铜管与碳钢管板的焊接见下表序号   焊接材料   焊接规范参数表面渗透检测宏观金相强度及气密性试验备注1 H10Mn2焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99   裂纹气孔 未进行未进行 试板管口未倒角2纯镍焊丝N6焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99   气孔裂纹 未进行未进行试板管口倒角2453 HS201焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99   无缺陷无缺陷压力=6.0MPa。满足要求试板管口倒角245 4HS201 焊接电流：I=80100A保护气体流量：Ar=10151min气体纯度99.99  无缺陷 无缺陷压力=6.0MPa。满足要求试板管口倒角2455.结论综合以上两组实验说明：只要选择正确的接头坡口型式、合适的焊接材料、合理的焊接规范，采用手工钨极氩弧焊是可以达到紫铜管与不锈钢(碳钢)管板接头的强度及气密性的要求，能够满足产品的设计要求的。四焊接工艺及焊接要点(一).焊接工艺1.焊接方法：手工钨极氩弧焊2.焊接材料：紫铜焊丝HS20123.焊接规范参数：焊接电流I=80110A  保护气体流量AR=l015  钨极直径=32  喷嘴直径=8114.接头坡口型式(略)(二)焊接要点1.焊前准备：紫铜管口(50CM范围内)焊接部位需严格去油、氧化物及其它污物，管板焊接坡口部位需去油、除涂锈等杂质。2.施焊时，电弧