黃銅換熱器管頭焊接工藝研究

蘆婭妮，高 磊，張瑩瑩，紀 強

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黃銅換熱器管頭焊接工藝研究

蘆婭妮1，高 磊1，張瑩瑩1，紀 強2

（1. 遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 撫順化工機械設備制造有限公司, 遼寧 撫順 113000）

針對黃銅換熱器管頭焊接工藝進行研究，采用宏觀檢驗、金相組織觀察、硬度測試等方法來表征焊接接頭的質量。探討黃銅換熱管頭的焊接工藝,并通過對焊縫、母材、管材及熱影響區組織的金相分析,找出比較合理的黃銅換熱器管頭焊接工藝方案。

黃銅；焊接工藝；金相組織；硬度測試

一般情況下，換熱器都是用金屬材料制成的，其中低壓換熱器是用碳素鋼和低合金鋼制造的；不銹鋼不但可以用于不同的耐腐蝕條件，奧氏體不銹鋼還可作為耐高溫和耐低溫的材料；銅、鋁和銅-鋁合金常用于制造低溫換熱器，高溫條件下則用鎳合金；非金屬材料不但可以制作墊片零件，而且有些已經用于制作耐蝕換熱器，如玻璃換熱器、石墨換熱器等。本課題研究的主要是黃銅換熱器管頭的焊接[1]，關于材質的選擇，黃銅板用HSn70-1B，黃銅管則選擇HSn62-1。一般不銹鋼作換熱管，不耐腐蝕，點蝕最為嚴重。腐蝕導致換熱器的壁厚減薄，時間長會導致換熱管出現泄漏，影響工藝運行。腐蝕后也會產生一些雜質，堵塞列管，減少換熱面積，影響換熱效果，因此選擇黃銅材料。黃銅[2]具有強度高、硬度大、耐化學腐蝕性強等特性，并且有較強的耐磨性能和良好的切削加工性能，所以在工業中被廣泛應用。

1 黃銅的焊接性與焊前準備

黃銅基于其自身的組成成分以及外部環境的影響，造成它的焊接性較差[3]，主要原因是：

（1）析出有害氣體多

由于黃銅是銅鋅合金，而鋅的燃點為420 ℃，沸點很低，通常為為906 ℃，所以在焊接過程中鋅元素極易蒸發，這是黃銅焊接中的一個重大問題。

（2）難熔合和易變形

黃銅焊接時容易出現難熔合、坡口焊不透和表面成形差的外觀缺陷。主要由于黃銅的導熱性極強，其熱導率比普通碳鋼大7～10倍，焊接時熱量迅速從加熱區傳導出去。同時由于黃銅的導熱性好，使得焊接熱影響區變寬，故在焊件剛度較小時，容易產生較大的變形，在剛度較大時，會在焊件中產生很大的焊接應力[4]。

（3）易產生熱裂紋

黃銅的線脹系數很大，由液態轉變為固態時的收縮率較大。對于剛性大、硬度高的焊件，由于內應力增大，易在焊接焊縫和熱影響區產生裂紋等焊接缺陷。特別是黃銅的鑄件補焊后，在濕氣、氨或海水中使用時，較大的內應力常促使其產生裂紋，容易形成“自裂”現象。

（4）易產生氣孔

黃銅在液態時易吸收氫氣，熔池結晶過程中氫還來不及析出，在冷卻后就有氣孔出現。故黃銅的焊接性不良，焊接時會產生氣孔、裂紋、鋅的蒸發和氧化等問題[5]。

1.1 黃銅的焊接方法及工藝要求

（1）鎢極氬弧焊的工藝要求[6]

當采用手工鎢極氬弧焊時，焊絲采用錫黃銅焊絲HSCuZ-1（HS221）、鐵黃銅焊絲HSCuZn-2（HS222）、硅黃銅焊絲HSCuZn-4（HS224）。這些焊絲含鋅都較高，故焊接時煙霧較大。亦可用青銅焊絲HSCuSi（HS211）、HSCuSn（HS212）。手工鎢極氬弧焊焊接黃銅焊接參數見表1。

表1 手工鎢極氬弧焊焊接黃銅的焊接參數

由于鋅的蒸發，從而破壞了氬氣的保護效果，所以焊接黃銅時應選用較大的噴嘴孔徑和較大的氬氣流量。焊前一般情況下是不預熱的，只有焊接厚度大于10 mm的接頭和焊接邊緣厚度相差比較大的接頭時才需預熱，后者只預熱焊件邊緣較厚的部分。電源既可以采用直流正接，也可以采用交流。為了減少鋅的蒸發，操作時可將填充焊絲與焊件“短接”，在填充焊絲上引弧和保持電弧，盡可能避免電弧直接作用到母材上，母材主要靠熔池金屬的傳熱來加熱熔化。焊接時，應盡可能進行單層焊，接頭板厚小于5 mm，最好可以一次焊完。焊后焊件應加熱到300～400 ℃進行退火處理，消除焊接應力，以防止黃銅構件在使用時破裂。

（2）黃銅氣焊的工藝要求

黃銅氣焊的工藝要求與氣焊純銅基本相同，黃銅中的合金元素鋅在420 ℃時熔化，在906 ℃時氣化蒸發。因此，為了防止鋅的氧化燒損，而不會造成力學性能和抗蝕性下降，是氣焊黃銅工藝中的突出問題。氣焊黃銅常采用采用對接接頭，而不用墊板。

1.2 黃銅的焊前準備

對于鎢極氬弧焊來說，對接接頭板厚小于3 mm時，不開坡口；板厚為3~10 mm時開V型坡口，坡口角度為60°~70°；板厚大于10 mm時開X型坡口，坡口角度為60°~70°，為避免未焊透的情況，不能留鈍邊。根據板厚以及坡口尺寸，對焊接接頭的裝配間隙在0.5~1.5 mm范圍內選取[7]。

（1）焊件表面清理：包括去除油污和去除氧化膜。

（2）去除油污：首先，去氧化膜之前，將待焊處坡口及兩側各30 mm內的油污，贓物等雜質用汽油、丙酮等有機溶劑進行清洗。其次，用溫度為30~40 ℃的10%NaOH水溶液清洗坡口的油污，然后用清水沖洗干凈，置于質量分數為35%~40%的硝酸水溶液中浸泡2~3 min，用清水刷洗干凈并進行烘干處理。

（3）去除氧化膜：用風動鋼絲輪或鋼絲刷或紗布打磨焊絲和焊件表面，直到其表面有金屬光澤出現。

2 實驗部分

2.1 焊接方法的選擇

生產中常用的焊接黃銅的方法是氣焊，焊條電弧焊和鎢極氬弧焊[8]。由于黃銅本身的特點，所以焊接黃銅需要大功率、高能束的熔焊熱源。而在使用氣焊工藝時，都會出現變形嚴重、工作效率低、很難控制接頭的焊接質量等情況；同時焊接質量波動大、操作環境較差、焊縫表面成型粗糙。對脹接工藝要求來說，脹管有一定困難。而鎢極氬弧焊具有電弧和熔池可見性好、操作方便、易于控制熔池形狀及焊縫成形、沒有熔渣、無需焊后清理、焊縫成形美觀、集中熱源、增加熔深，同時也大大降低了氣孔的產生、熱影響區小、變形小、不影響脹管工等優點。氬氣在焊接過程中具有良好的保護作用，可以有效隔絕周圍的空氣；而且氬氣本身還不與金屬發生化學反應也不會溶于金屬，使得焊接過程中的冶金反應簡單而且易控制，所以這樣為獲得較高質量的焊縫提供了良好條件。所以鎢極氬弧焊焊接方法可進行全方位焊接，也是實現單面焊雙面成型的理想方法[9]。

鎢極氬弧焊是一種全姿勢位置焊接方式。通常按操作方法可以分為手工鎢極氬弧焊和機械化焊接兩種。對于直線焊縫和有規則的曲線焊縫，可采用機械化焊接。而對于不規則的或較短的焊縫，則采用手工鎢極氬弧焊，通常情況使用較多的是直流手工鎢極氬弧焊。因此，綜合考慮本試驗采用手工鎢極氬弧焊[10]。

2.2 實驗材料的選擇

2.2.1 焊接母材的選用

試驗選用機械加工的黃銅板HSn62-1，黃銅管HSn70-1B。板子尺寸200 mm×300 mm×8 mm，管子尺寸25 mm×2 mm×6 000 mm。黃銅板HSn62- 1 的技術要求如表2。

表2 母材的技術要求

2.2.2 焊絲的選擇

手工鎢極氬弧焊打底所選用的焊絲，除焊接采用的填充焊絲應依據與母材成分相匹配的原則來選擇外，還必須要滿足機械性能的要求和良好的可操作性，并且不產生氣孔、夾雜、咬邊、未熔合、未焊透等焊接缺陷[11]。使用焊絲HS211(硅青銅)打底時，焊縫成型好，易于手工操作，氣孔很少，焊縫質量容易保證。故無論從焊接工藝試驗的機械性能，還是現場手工焊接操作性上可以看出，選HS211(硅青銅)焊絲是最好的。

2.3 焊接的工藝參數

黃銅焊接選擇手動鎢極氬弧焊，根據其參數進行選擇焊接電流，電壓，焊接速度，焊接層數，氣體流量等[12,13]。

（1）焊接電流的選擇

焊接電流通常根據工件的材質、厚度和接頭空間位置來選擇。

（2）電弧電壓的選擇

電弧電壓增高焊縫寬度增加，熔深減小。電弧太長電弧電壓過高時，容易引起為焊透及咬邊，而且保護效果不好。但電弧也不能太短，電弧電壓過低、電弧太短時，焊絲給送時容易碰到鎢極引起短路，使鎢極燒損，還容易夾鎢，故通常使弧長近似等于鎢極直徑。

（3）焊接速度的選擇[14]

焊接速度增加時，熔深和熔寬減小，焊接速度過快時，容易產生未熔合和未焊透，而早焊速過慢時，焊縫會變寬，同時還可能產生“焊漏”、燒穿等情況。

因此，綜合考慮這幾種條件后，選擇黃銅焊接的參數如表3。

表3 黃銅的焊接參數

3 實驗結果分析

3.1 焊后的宏觀檢驗

根據以上的數據焊接黃銅管板，得到的焊接試板如圖1：板子尺寸200×300×8，管子尺寸25×2×6 000，填一層, 單位:mm。

圖1 黃銅管板焊后宏觀形貌

經宏觀檢驗[15],即外表觀查檢驗發現，焊縫表面成形美觀，焊縫寬度均勻，接頭過渡良好， 未出現表面缺陷，如裂縫、氣孔、縮孔、未熔合、未焊透、連續咬邊等。根據焊縫標準檢驗合格。

3.2 焊后的微觀檢驗

宏觀檢驗合格后可進行微觀金相檢驗[16]，利用線切割進行切割，切割后進入試樣的金相檢驗階段。接下來進入試樣的金相檢驗階段，將已經準備好的試樣在粗砂輪上磨平，等到磨痕均勻一致后，再在細砂輪上繼續研磨，為了使金屬的組織不會因受熱而發生變化，磨的時候必須用水冷卻試樣。經砂輪磨好后，洗凈并吹干試樣，隨即依次再在砂紙上磨制，順序從粗砂紙到細砂紙。再換一次砂紙，試樣轉90°角與舊磨的方向垂直。試樣經過預磨之后，先在拋光機上進行粗拋光再進行精拋光，一直到試樣上的磨痕全部除去，表面像鏡面為止。

試樣經精拋后，便可浸入玻璃器皿的浸蝕劑中進行侵蝕。侵蝕的時候，試樣可以輕微的移動，但是拋光面不能與器皿底相接觸。一般情況下，浸蝕劑采用4％硝酸酒精溶液。由金屬的性質、檢驗的目的和顯微檢驗的放大倍數來決定侵蝕時間，直到在顯微鏡下清晰顯出金屬組織為止。試樣侵蝕完畢后，迅速用清水洗凈，表面兩用，酒精洗凈，然后再用吹風機將試樣吹干。經過拋光的試樣可以拿到顯微鏡下看焊縫微觀組織，所得金相如圖2-5所示。

3.3 焊縫硬度的測定

維氏硬度計是采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗力作用下壓入試樣表面，保持規定時間后撤去該試驗力，接著測量試樣表面的壓痕對角線的長度。

經測定得出焊縫各部分的硬度值見表4。

圖2 黃銅板HSn62-1金相組織 100×

（α+β兩相，呈暗色為β相、是體心立方晶格；呈亮色為α相、是面心立方晶格）

圖3 黃銅板HSn62-1 HAZ金相組織 100×

圖4 黃銅管母材HSn70-1B金相組織 100×（組織為α單相）

圖5 黃銅管母材HAZ HSn70-1B金相組織100×

(組織為α單相，HAZ組織明顯比母材粗大)

表4 焊縫的硬度值

4 結論

（1）焊縫經目視后，未發現氧化、咬邊、熱裂紋、未熔合、未焊透、夾渣和形狀尺寸缺欠等現象出現，故焊接接頭能夠滿足使用性能要求。

（2）通過金相組織觀察，微觀圖像上可以清晰的顯示焊接接頭熔合區的熔合線?？梢?，焊縫接頭組織分布均勻，無明顯晶粒長大現象出現。黃銅板HSn62-1為 α+β兩相組織，呈暗色的為β相、屬于體心立方晶格；呈亮色的為α相、屬于面心立方晶格。熱影響區組織與母材組織相同, 只是熱影響區的組織明顯比母材組織粗大。黃銅管母材HSn70-1B組織為α單相，熱影響區組織為α單相并且明顯比母材粗大，黃銅板熔合線處的組織為α+β兩相，呈暗色為β相、是體心立方晶格；呈亮色為α相、是面心立方晶格。

（3）通過硬度試驗，表明黃銅焊縫硬度保持在較高水平，最高硬度接近152.1 HV，明顯高于熱影響區和母材。

（4）通過以上焊后檢驗的結論可以證明，采用手工鎢極氬弧焊，直流正接電流，焊接參數：電流130 A；電壓14 V；氣體流速9 L/min；焊接速度80 mm/min，可以達到黃銅管頭管板焊接接頭的性能要求，同時也能夠滿足黃銅換熱器的制造技術要求，此焊接工藝參數可以實際生產。

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Study on Welding Technology of Brass Heat Exchanger Tube and Shell

1，112

（1. Department of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2. Fushun Chemical Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Liaoning Fushun 113000，China)

The welding process of brass heat exchanger tube and shell was studied; the welding quality was tested by macroscopic examination, microstructure observation and hardness test. Through metallographic analysis of welding seam, base metal, pipe material and organization at heat-affected zone, reasonable welding process scheme of the brass heat exchanger tube and shell was determined.

Brass; Welding; Microstructure; Hardness test

TG 113

A

1671-0460（2014）06-1035-04

2013-12-09

蘆婭妮（1987-），女，甘肅慶陽人，在讀碩士研究生，研究方向：新型高效節能石化裝備的研究與開發。E-mail:luyania@163.com。

張瑩瑩（1981-），女，講師，研究方向：主要從事材料熱加工及焊接方向研究。E-mail：zyy_fs@163.com。