高爐水冷壁紫銅管與爐皮異種金屬焊接

呂 杰，李世霞

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

煉鐵高爐在服役后期，爐腹、爐腰部位的水冷壁逐漸出現破損-泄露-燒損現象，水冷壁的功能隨之喪失，高溫爐料直接接觸爐殼，爐殼因內外很大的溫差，產生的巨大溫差拉伸應力而出現開裂，為了延長爐役，需要更換新的水冷壁或應用替代型水冷壁，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40mm 厚的碳鋼爐皮焊接，之后圍繞爐內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為紫銅管與爐殼之間的焊縫焊接。焊接質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，結合施工實際狀況，如何優質完成銅-鋼異種金屬的焊接是實現替代型冷卻壁制作的關鍵。異種金屬材料的焊接，首先需要掌握兩種材料的性能差異，詳見表1 所示。

表1 Fe 與Cu 的物理性能

對比可見紫銅和碳鋼的熔點、導熱系數、線膨脹系數、導電性、均有很大差異。

圖2 焊縫

根據異種鋼焊接焊材的選取常規，兩種金屬焊接連接時選用與強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、銅-鋼熔合線、以及熱影響區。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。

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

但是,由于在融熔狀態下鍋爐鋼和純銅的原子結構，晶相組織，電化學組織結構相近，這對異相材質間融合、異種金屬（銅鋼）焊接來說，具有積極的作用[1]。且銅與鐵在液態時無限互溶，在固態下為有限固溶，可以通過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。本論文通過查閱相關資料及文獻，通過應用試驗，選用了合理的焊接工藝實現對焊接過程的控制，實現了銅-鋼異種金屬的焊接。

1 焊接工藝選擇

依據理論和實踐經驗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。在異種金屬間通過過渡層焊接方面，南京理工大學的王克鴻[3]等提出通過在鋼基材上焊接熔覆層，可實現鋼基體與銅熔敷層的過渡層焊接，銅層與鋼基體具有良好的冶金界面，界面無關鍵及深層次缺陷。王向斌[4]等對T2 紫銅與10 鋼電子束焊接方案進行了優化改進，通過優化與控制焊接參數，也可得到比較理想的預期效果。Shen Hongwei[5]等人利用了Nd：YAG 激光器對接焊接了紫銅和300 系列不銹鋼，實驗結果表明當激光束偏向銅側0.4mm 時，能得到優質的焊接接頭。雖然利用熔敷焊、壓焊、高能束焊等方法能夠實現鋼與銅的焊接，并具有效率高、結合質量好、變形小等優點。

綜合以上焊接成功案例，進一步證明了，實現銅鋼焊接的要點是：一是需要足夠的或是集中的焊接熱量，以此抵消銅一側熱量的流失，保證熔池的形成。二是嚴格控制氫、氧溶入熔池的數量。三是控制鐵元素進入熔池的數量，將焊縫中鐵元素的溶入量控制在20%以下。四是焊后適當保溫，延長焊縫中氣體的逸出時間，并控制焊縫，避免焊縫立即受力。

結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，焊接過程穩定，附加適當的焊接輔助工藝，可以取得良好的焊接質量，焊接熔渣少，不產生氣孔、無裂紋、結構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 焊前準備

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

其次，由于材質導熱性的差異，純銅和鍋爐鋼熔焊時，由于銅側散熱過快，區域溫度難以達到工藝要求溫度，導致焊接結果極難達到預期效果，所以需要對紫銅管進行焊前預熱。實際施工中，采用火焰預熱，預熱前，為了避免大壁厚銅管，散熱快的缺點，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Cu 含量小于0.3%時，其組織為銅固溶入鐵的α 固溶體，當Fe 含量小于0.2%時，其組織為鐵固溶入銅ε 固溶體，當Cu、Fe 含量在其他情況下，形成雙相組織，焊縫區組織以（α+ε）雙相固溶體形式存在[6，7]。由于α 固溶體易產生α 相脆化，造成焊縫脆性增大，導致焊縫性能的整體下降，不利于銅鋼異種金屬的焊接。所以要嚴格控制Fe 的溶入量，一般當鐵的溶入量在10%-43%時，可以獲得質量優良的焊接接頭，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，有利于焊接接頭強度的提高[8]。當選用紫銅焊絲進行焊接時，焊縫中由（α+ε）雙相組織組成。并且通過試焊驗證，將焊縫中鐵的溶入量控制在20%以下時效果最好。因此，此處選擇紫銅為焊接填充材料，實際使用HS201，焊絲直徑為4 mm。

為了克服高溫下銅的快速氧化的特點，同時避免氧化亞銅（Cu2O）的產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 焊接工藝參數的制定

為保證電弧能深入到坡口根部，使爐殼與紫銅充分熔合，并獲得較好的焊縫成型，需要對爐殼開坡口焊接。在爐殼上開單邊“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，為保證達到預期焊接效果，要進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，焊接參數如表2。

在焊接操作上，為了兼顧增加銅一側熱輸入及減少鐵元素在焊縫中的溶入量，操作時鎢極產生的電弧要偏向易散熱基材一側，并且增加停留時間，而基材和焊絲充分熔合后，電弧立即擺向鋼一側，鋼一側一旦熔化，電弧立即擺入熔池（實際鋼的熔化速度非?？欤_保各基材熱輸入相近，使之充分熔合。焊接過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

3 焊后處理

焊接結束后，立即采用保溫措施將施焊工件進行緩冷降溫。緩冷過程中，可以延續熔池中氫、氧的逸出，并且可以提高銅的塑性，通過形變減弱焊接應力，防止裂紋產生。待焊縫徹底冷卻后，使用銼刀清理焊縫表面的粘結物。

4 焊后檢驗

焊后對焊縫進行外觀檢查，焊縫成型良好，焊縫表面未發現裂紋、咬邊、氣孔、焊瘤、未熔合等缺陷。結構檢驗方面，因為爐殼的剛性較大，加上銅自身良好的塑性，結構沒有發生明顯的變形。在使用前的水壓致密性檢測中，經過1.2MPa、0.5 小時測試，焊接位置無滲漏現象發生。而且在多次的實際應用中，亦沒有發生煤氣泄漏事故。達到了理想的效果。

5 結論

本文通過分析銅、鋼兩種金屬的物理性能，結合國內外銅鋼異種金屬的焊接案例，總結實際施焊條件，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，嚴格控制焊接工藝參數，完成了銅鋼異種金屬的焊接，并在高爐爐役后期的護爐中得到應用，且取得良好的效果。本文討論的銅鋼異種金屬焊接實踐中，所有的焊接檢驗均是常規的外觀檢驗，實際的力學、理化、金相檢驗均未實施，在這些方面尚未得到充分驗證，應需繼續實施，對工藝進一步優化。