金立果 楊俊明
摘要:本文針對工業(yè)生產(chǎn)中最常見的H62黃銅的特性、焊接技術(shù)及工藝措施、工藝裝備結(jié)構(gòu)等進(jìn)行焊接可行性和焊接工藝的研究,對采用的焊接材料、工藝方案等進(jìn)行討論,對焊接難點(diǎn)進(jìn)行突破和改進(jìn),為國內(nèi)工程提供合格的焊接工藝評定、減少工程開支,另一方面也為工程施工做好必要的技術(shù)儲備。
關(guān)鍵詞:氣焊;焊接工藝;難點(diǎn);重要突破
1 項(xiàng)目概況
銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,因而在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。為了節(jié)約有色金屬銅,降低成本,常常在結(jié)構(gòu)件、連接件和使用件的需要部位采用銅,而其他部位則采用成本低廉的低碳鋼材料。這種結(jié)構(gòu)多數(shù)采用的是非焊接方式(比如脹接、法蘭連接)或軟釬焊(使用焊錫或其他釬料進(jìn)行低強(qiáng)度的連接,未能達(dá)到原子結(jié)合的焊接方式),相對整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的穩(wěn)固性來說比焊接顯得有所不足,這使得在一些承受載荷,需要牢固連接的部位,不得不以純銅進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作整個系統(tǒng)。
2 項(xiàng)目計(jì)劃情況
第一階段,項(xiàng)目調(diào)研及可行性分析;第二階段,材料的可焊性試驗(yàn);第三階段,焊接工藝評定制作;第四階段,效益分析;第五階段,項(xiàng)目總結(jié)
3 項(xiàng)目計(jì)劃執(zhí)行情況
3.1 第一階段,項(xiàng)目調(diào)研和可行性分析
3.1.1 項(xiàng)目調(diào)研
a. 根據(jù)工程施工的要求,我們需要做角焊縫的焊接工藝評定,因此在編制焊接工藝時,主要考慮的是焊縫和兩種金屬母材的結(jié)合情況,要做到焊縫和母材在金相上的完全融合。
b. 查找可借鑒的文獻(xiàn)和資料,發(fā)現(xiàn)黃銅和低碳鋼的異種鋼接頭氣焊基本是空白,需要我們自行摸索其焊接工藝;
c. 根據(jù)黃銅和低碳鋼的物理特點(diǎn)制定出一套科學(xué)合理的氣焊工藝;
3.1.2 可行性分析:
a.不利因素如下:
銅及銅合金具有良好的導(dǎo)熱性,常溫下熱導(dǎo)率是鐵的七倍多,1000℃時是鐵的11倍,所以,焊接銅和銅合金與低碳鋼接頭時,銅工件很容易整體同時變熱,加熱到局部熔化狀態(tài)就比較困難,如果選擇的焊接參數(shù)和工藝手段出現(xiàn)問題,就很容易出現(xiàn)母材不熔或填充金屬和母材結(jié)合不好的情況。
對于使用最廣泛的手工電弧焊來說,銅電阻率極小,和電焊機(jī)的地線及把線的電阻率基本一樣,因此焊接電弧漂移不定,造成焊接外觀質(zhì)量差,而且銅的導(dǎo)熱極快,熔池凝固過程太快,手工焊產(chǎn)生的焊渣、氣體難以在熔池凝固之前浮出,形成缺陷。
因此,在銅的焊接工藝中,主要采用“能量集中”“少渣”“吹力小”的熱源進(jìn)行焊接,比如鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝。
但即使采用了“能量集中”“少渣”“吹力小”的熱源,由于銅和鐵的巨大物理性能差異,仍然給銅和鐵的異種鋼接頭帶來了焊接應(yīng)用的困難,所以我們很少在工業(yè)場合見到銅和低碳鋼的異種鋼焊接接頭。
而氧-乙炔氣焊,由于輸入的熱量不夠集中,所以常被先入為主的認(rèn)為不適合進(jìn)行銅和銅合金的焊接,在工業(yè)上使用較少,在銅和低碳鋼的異種鋼接頭上應(yīng)用的就更少。
這是使用氧-乙炔氣焊進(jìn)行黃銅和低碳鋼異種鋼接頭焊接的不利因素
b.有利因素如下:
氧-乙炔氣焊有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝所沒有的優(yōu)勢,比如:
應(yīng)用廣泛,設(shè)備現(xiàn)成,操作人員現(xiàn)成。鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝由于需要專門的設(shè)備,不適合現(xiàn)場移動作業(yè),在野外施工現(xiàn)場或施工工地上應(yīng)用不夠廣泛,但氧-乙炔氣焊設(shè)備幾乎是每個存在鋼結(jié)構(gòu)的施工工地所必備的設(shè)備。
人員培訓(xùn)容易。在找到合適的焊接工藝后,氣焊工可以按工藝進(jìn)行操作,僅需要進(jìn)行具體參數(shù)和操作手法的訓(xùn)練即可。而鎢極氣體保護(hù)焊(氬氣)、熔化極氣體保護(hù)焊(氬氣) 、電子束焊由于現(xiàn)場使用量少,需要重新培訓(xùn)其對應(yīng)工種。
成本較低。使用的是現(xiàn)場隨處可見的設(shè)備(氧氣和乙炔瓶、少量專用焊劑、氣焊槍、砂紙、水玻璃或純凈的溫水),氧氣和乙炔的價格相比氣體保護(hù)焊使用的氬氣的價格要低廉很多。
3.2 第二階段,材料的可焊性試驗(yàn)
按照制定的氣焊工藝有計(jì)劃焊接了30個管板試件。尋找合理的焊材搭配,對這些角焊縫進(jìn)行外觀檢測和內(nèi)部的宏觀金相檢驗(yàn),來驗(yàn)證該角焊縫的金屬結(jié)合程度及焊縫斷面、最終確定的焊接工藝隨焊接焊件表面的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明焊縫金屬和母材結(jié)合的很好,完全符合JB4708-2000的標(biāo)準(zhǔn)要求,這可以證明銅-鐵之間通過氣焊工藝焊接是可行的。
3.3 第三階段,焊接工藝評定制作和應(yīng)用
根據(jù)焊接試驗(yàn)結(jié)果,對焊接工藝參數(shù)、組對尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理和總結(jié),同時焊接質(zhì)量滿足相關(guān)施工驗(yàn)收規(guī)范的要求。
焊接工藝評定材料和規(guī)格為∮60×5、20#和δ=5、H62,焊接位置2FG,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 50236-98(現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范)。
4 效益分析
為工程建設(shè)等行業(yè)做好了技術(shù)儲備。節(jié)約了工程中貴價金屬銅的使用,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。用氣焊代替普通焊接,從而產(chǎn)生安全、環(huán)保方面的附加經(jīng)濟(jì)和社會效益。用氣焊代替氬弧焊和電子束焊,具有設(shè)備上的便捷性、易操作性和廣泛性,節(jié)省設(shè)備的使用和拉運(yùn)經(jīng)費(fèi)。
5 創(chuàng)新點(diǎn)、難點(diǎn)或重要突破
5.1 火焰的選擇和預(yù)熱溫度的選擇
純銅焊接通常采取中性火焰,但由于異種鋼接頭的物理特性差異,要保證焊絲和母材的融合,需要把破口兩側(cè)都預(yù)熱到500℃左右,使熔池冷卻速度減慢,便于析出氣體,為了保證熱量的集中,需要用熱量相對集中的氧化焰,但同時為了保護(hù)黃銅中的鋅元素不被過多氧化,決定使用極輕微的氧化焰。
該難點(diǎn)的解決方法是采用輕微氧化焰,試驗(yàn)后可行。
5.2 常見缺陷的防止
黃銅焊接容易出現(xiàn)的缺陷主要是熱裂紋和氣孔,熱裂紋的產(chǎn)生原因是合金元素偏析和氧化膜的夾雜,所以焊縫不應(yīng)該在900℃以上的高溫區(qū)停留太久,容易產(chǎn)生大量氧化物和氣孔,也不宜凝固太快,這樣容易把夾雜和氣孔凝固在焊縫里,因此需要把焊縫周圍預(yù)熱500℃左右以保證熔池不太快凝固,但焊接速度要快,焊接熱量要集中,使合金元素不要燒損過多,影響焊縫的性能。
該難點(diǎn)的解決方法是將焊縫區(qū)預(yù)熱到合理的溫度,并配合恰當(dāng)?shù)暮附铀俣?/p>
5.3 保證焊縫金屬的流動性
由于銅上常常有氧化膜,銅內(nèi)部有時也有銅氧化膜,合金元素鋅也容易蒸發(fā),所以需要使用合適的焊劑加強(qiáng)熔池的流動性,并形成薄膜阻礙鋅的蒸發(fā)。
該難點(diǎn)的解決方法是選擇合適的焊劑,經(jīng)多次試驗(yàn)后我們選擇了CJ301焊劑,要求焊接前用砂紙打磨掉銅件和焊絲上的氧化膜,然后把焊劑涂敷覆蓋在整個焊接區(qū)和焊絲上,然后再進(jìn)行焊接
5.4 焊槍傾角的選擇
由于兩種母材金屬的導(dǎo)熱速度不同,需要把更多的熱量加到碳素鋼的一側(cè),因此焊槍傾角與焊單一材料不同,需要把焰心更加朝向碳素鋼的一側(cè),為了保證火焰熱量的集中,火焰要與焊縫有更小的接觸點(diǎn),需要把焊槍立起來一些,與母材的夾角為75°~85°。
采取以上措施,我們成功的完成了黃銅和低碳鋼的焊接工藝,突破了黃銅不適合氣焊,黃銅和低碳鋼難以焊接的思維習(xí)慣。
6 項(xiàng)目總結(jié)
該工藝是可行的,但由于銅-鐵之間物理性能差異大,有許多和平時焊接不一樣的工藝措施和操作要求,應(yīng)在施焊前對焊工進(jìn)行有針對性的培訓(xùn)。
該工藝具有以下特點(diǎn):a、設(shè)備簡單,容易操作,減少成本。b、施焊人員容易掌握,培訓(xùn)周期減少。