T2管與1Cr18Ni9Ti板的管板焊接工藝

李揚

摘要：本文依托某煉油廠透平膨脹壓縮機供油裝置上的冷卻器紫銅與不銹鋼管板接頭維修焊接實例，對紫銅的材質特性進行分析，歸納出紫銅的焊接難點及特點，總結出適合現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熱措施，成功進行了T2管與不銹鋼板的現場焊接，使焊接達到了質量規范的要求。

關鍵詞：T2紫銅；熱裂紋；焊接工藝；預熱

1 T2的特性

1.1 物理特性

T2紫銅是工業純銅，其熔點為1083℃，無同素異構轉變，導熱系數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，導熱系數小，電阻系數小。862℃以上為體心立方，稱為β相。與其他金屬相比較，導熱系數小，電阻系數大。

1.2 化學特性

T2為普通紫銅，屬含氧銅。紫銅的電導率和熱導率僅次于銀，廣泛用于制作導電、導熱器材。紫銅在大氣、海水和某些非氧化性酸（鹽酸、稀硫酸）、堿、鹽溶液及多種有機酸（醋酸、檸檬酸）中，有良好的耐蝕性，用于化學工業。另外，紫銅有良好的焊接性，可經冷、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，氫或一氧化碳易與晶界的氧化亞銅（Cu2O）作用，產生高壓水蒸氣或二氧化碳氣體，可使銅破裂。這種現象常稱為銅的“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、點陣類型、晶格常數及外層電子數都比較接近，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，熔點及線膨脹系數差異大，紫銅的線膨脹系數大，在焊接過程中會產生較大的焊接應力。

（2）.銅的導熱系數是鋼的8倍多，熔池的冷卻速度比鋼要大得多，氫的擴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。據有關資料介紹，當鐵含量在10～43%時，焊縫具有最好的抗裂性能。因此，控制焊縫的熔合比是相當重要的環節。

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，容易實現單面焊雙面成形，對焊件進行焊前預熱和后熱也較便利。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，且對不銹鋼一側也很難實現熔化，較難獲得良好的焊接質量，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，紫銅管規格為φ16×3紫銅管。

3.3 焊接設備及機具選擇

焊接電源應選用額定電流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、液態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，提高力學性能。但本例為管板之間的焊接，接頭形式無法實現堆焊的效果，且純Ni焊絲，市場供貨少，難購買。

4.1.焊前準備

焊前準備：紫銅管（50Cm范圍內）焊接部位需嚴格去油、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。

氬氣的純度要求≥99.99%

4.2合理控制焊接熱循環

合理控制焊接熱循環，對于改善焊接應力狀態和消除氧化物、硫化物以及減少低熔點共晶體起著至關重要的作用。

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。由于紫銅導熱系數大，散熱迅速，故施焊前必須對銅管施焊一側進行預熱（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，可用中性焰加熱銅管位于不銹鋼封板另一側的非焊接區域，利用銅管的良好導熱性能，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，以消除焊接應力，防止裂紋產生。

4.3操作手法

施焊時采用短弧焊，電弧中心要偏向銅管側約2-4mm，一方面減少銅管側的熱量損失，以免發生未焊透、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受熱過多而產生燒穿、咬邊現象。

采用連續送絲方式，不做橫向和前后擺動，只沿焊縫的直線移動，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，熄弧前為防止出現弧坑和過早失去保護，應在熄弧前多添加填充金屬，填滿后再熄弧停止送氬氣。

5 結論

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