蘆婭妮，高 磊，張瑩瑩，紀(jì) 強(qiáng)

?

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(jì) 強(qiáng)2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司, 遼寧 撫順 113000）

針對(duì)黃銅換熱器管頭焊接工藝進(jìn)行研究，采用宏觀檢驗(yàn)、金相組織觀察、硬度測(cè)試等方法來(lái)表征焊接接頭的質(zhì)量。探討黃銅換熱管頭的焊接工藝,并通過(guò)對(duì)焊縫、母材、管材及熱影響區(qū)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(cè)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?fù)Q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(jīng)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(guān)于材質(zhì)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(diǎn)蝕最為嚴(yán)重。腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器的壁厚減薄，時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管出現(xiàn)泄漏，影響工藝運(yùn)行。腐蝕后也會(huì)產(chǎn)生一些雜質(zhì)，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(qiáng)度高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等特性，并且有較強(qiáng)的耐磨性能和良好的切削加工性能，所以在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

1 黃銅的焊接性與焊前準(zhǔn)備

黃銅基于其自身的組成成分以及外部環(huán)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(diǎn)為420 ℃，沸點(diǎn)很低，通常為為906 ℃，所以在焊接過(guò)程中鋅元素極易蒸發(fā)，這是黃銅焊接中的一個(gè)重大問(wèn)題。

（2）難熔合和易變形

黃銅焊接時(shí)容易出現(xiàn)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(dǎo)熱性極強(qiáng)，其熱導(dǎo)率比普通碳鋼大7～10倍，焊接時(shí)熱量迅速?gòu)募訜釁^(qū)傳導(dǎo)出去。同時(shí)由于黃銅的導(dǎo)熱性好，使得焊接熱影響區(qū)變寬，故在焊件剛度較小時(shí)，容易產(chǎn)生較大的變形，在剛度較大時(shí)，會(huì)在焊件中產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力[4]。

（3）易產(chǎn)生熱裂紋

黃銅的線脹系數(shù)很大，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)的收縮率較大。對(duì)于剛性大、硬度高的焊件，由于內(nèi)應(yīng)力增大，易在焊接焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷。特別是黃銅的鑄件補(bǔ)焊后，在濕氣、氨或海水中使用時(shí)，較大的內(nèi)應(yīng)力常促使其產(chǎn)生裂紋，容易形成“自裂”現(xiàn)象。

（4）易產(chǎn)生氣孔

黃銅在液態(tài)時(shí)易吸收氫氣，熔池結(jié)晶過(guò)程中氫還來(lái)不及析出，在冷卻后就有氣孔出現(xiàn)。故黃銅的焊接性不良，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋、鋅的蒸發(fā)和氧化等問(wèn)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(dāng)采用手工鎢極氬弧焊時(shí)，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(shí)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(shù)見(jiàn)表1。

表1 手工鎢極氬弧焊焊接黃銅的焊接參數(shù)

由于鋅的蒸發(fā)，從而破壞了氬氣的保護(hù)效果，所以焊接黃銅時(shí)應(yīng)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(yù)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(shí)才需預(yù)熱，后者只預(yù)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(fā)，操作時(shí)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(lái)加熱熔化。焊接時(shí)，應(yīng)盡可能進(jìn)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(yīng)加熱到300～400 ℃進(jìn)行退火處理，消除焊接應(yīng)力，以防止黃銅構(gòu)件在使用時(shí)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(shí)熔化，在906 ℃時(shí)氣化蒸發(fā)。因此，為了防止鋅的氧化燒損，而不會(huì)造成力學(xué)性能和抗蝕性下降，是氣焊黃銅工藝中的突出問(wèn)題。氣焊黃銅常采用采用對(duì)接接頭，而不用墊板。

1.2 黃銅的焊前準(zhǔn)備

對(duì)于鎢極氬弧焊來(lái)說(shuō)，對(duì)接接頭板厚小于3 mm時(shí)，不開(kāi)坡口；板厚為3~10 mm時(shí)開(kāi)V型坡口，坡口角度為60°~70°；板厚大于10 mm時(shí)開(kāi)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(jù)板厚以及坡口尺寸，對(duì)焊接接頭的裝配間隙在0.5~1.5 mm范圍內(nèi)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(cè)各30 mm內(nèi)的油污，贓物等雜質(zhì)用汽油、丙酮等有機(jī)溶劑進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%~40%的硝酸水溶液中浸泡2~3 min，用清水刷洗干凈并進(jìn)行烘干處理。

（3）去除氧化膜：用風(fēng)動(dòng)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(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 焊接方法的選擇

生產(chǎn)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(diǎn)，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(shí)，都會(huì)出現(xiàn)變形嚴(yán)重、工作效率低、很難控制接頭的焊接質(zhì)量等情況；同時(shí)焊接質(zhì)量波動(dòng)大、操作環(huán)境較差、焊縫表面成型粗糙。對(duì)脹接工藝要求來(lái)說(shuō)，脹管有一定困難。而鎢極氬弧焊具有電弧和熔池可見(jiàn)性好、操作方便、易于控制熔池形狀及焊縫成形、沒(méi)有熔渣、無(wú)需焊后清理、焊縫成形美觀、集中熱源、增加熔深，同時(shí)也大大降低了氣孔的產(chǎn)生、熱影響區(qū)小、變形小、不影響脹管工等優(yōu)點(diǎn)。氬氣在焊接過(guò)程中具有良好的保護(hù)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)也不會(huì)溶于金屬，使得焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)簡(jiǎn)單而且易控制，所以這樣為獲得較高質(zhì)量的焊縫提供了良好條件。所以鎢極氬弧焊焊接方法可進(jìn)行全方位焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型的理想方法[9]。

鎢極氬弧焊是一種全姿勢(shì)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(jī)械化焊接兩種。對(duì)于直線焊縫和有規(guī)則的曲線焊縫，可采用機(jī)械化焊接。而對(duì)于不規(guī)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(yàn)采用手工鎢極氬弧焊[10]。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

2.2.1 焊接母材的選用

試驗(yàn)選用機(jī)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(shù)要求如表2。

表2 母材的技術(shù)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(yīng)依據(jù)與母材成分相匹配的原則來(lái)選擇外，還必須要滿足機(jī)械性能的要求和良好的可操作性，并且不產(chǎn)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(shí)，焊縫成型好，易于手工操作，氣孔很少，焊縫質(zhì)量容易保證。故無(wú)論從焊接工藝試驗(yàn)的機(jī)械性能，還是現(xiàn)場(chǎng)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(shù)

黃銅焊接選擇手動(dòng)鎢極氬弧焊，根據(jù)其參數(shù)進(jìn)行選擇焊接電流，電壓，焊接速度，焊接層數(shù)，氣體流量等[12,13]。

（1）焊接電流的選擇

焊接電流通常根據(jù)工件的材質(zhì)、厚度和接頭空間位置來(lái)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(zhǎng)電弧電壓過(guò)高時(shí)，容易引起為焊透及咬邊，而且保護(hù)效果不好。但電弧也不能太短，電弧電壓過(guò)低、電弧太短時(shí)，焊絲給送時(shí)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(zhǎng)近似等于鎢極直徑。

（3）焊接速度的選擇[14]

焊接速度增加時(shí)，熔深和熔寬減小，焊接速度過(guò)快時(shí)，容易產(chǎn)生未熔合和未焊透，而早焊速過(guò)慢時(shí)，焊縫會(huì)變寬，同時(shí)還可能產(chǎn)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(shù)如表3。

表3 黃銅的焊接參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊后的宏觀檢驗(yàn)

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)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(jīng)宏觀檢驗(yàn)[15],即外表觀查檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫表面成形美觀，焊縫寬度均勻，接頭過(guò)渡良好， 未出現(xiàn)表面缺陷，如裂縫、氣孔、縮孔、未熔合、未焊透、連續(xù)咬邊等。根據(jù)焊縫標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格。

3.2 焊后的微觀檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)合格后可進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)[16]，利用線切割進(jìn)行切割，切割后進(jìn)入試樣的金相檢驗(yàn)階段。接下來(lái)進(jìn)入試樣的金相檢驗(yàn)階段，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的試樣在粗砂輪上磨平，等到磨痕均勻一致后，再在細(xì)砂輪上繼續(xù)研磨，為了使金屬的組織不會(huì)因受熱而發(fā)生變化，磨的時(shí)候必須用水冷卻試樣。經(jīng)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(xì)砂紙。再換一次砂紙，試樣轉(zhuǎn)90°角與舊磨的方向垂直。試樣經(jīng)過(guò)預(yù)磨之后，先在拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋光再進(jìn)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(jīng)精拋后，便可浸入玻璃器皿的浸蝕劑中進(jìn)行侵蝕。侵蝕的時(shí)候，試樣可以輕微的移動(dòng)，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(zhì)、檢驗(yàn)的目的和顯微檢驗(yàn)的放大倍數(shù)來(lái)決定侵蝕時(shí)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(fēng)機(jī)將試樣吹干。經(jīng)過(guò)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(cè)定

維氏硬度計(jì)是采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后撤去該試驗(yàn)力，接著測(cè)量試樣表面的壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度。

經(jīng)測(cè)定得出焊縫各部分的硬度值見(jiàn)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(jié)論

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

（2）通過(guò)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(qū)的熔合線?？梢?jiàn)，焊縫接頭組織分布均勻，無(wú)明顯晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象出現(xiàn)。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(qū)組織與母材組織相同, 只是熱影響區(qū)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(qū)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(guò)硬度試驗(yàn)，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(qū)和母材。

（4）通過(guò)以上焊后檢驗(yàn)的結(jié)論可以證明，采用手工鎢極氬弧焊，直流正接電流，焊接參數(shù)：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(dá)到黃銅管頭管板焊接接頭的性能要求，同時(shí)也能夠滿足黃銅換熱器的制造技術(shù)要求，此焊接工藝參數(shù)可以實(shí)際生產(chǎn)。

［1］史建濤.換熱器管子和管板焊接接頭淺見(jiàn)[J]. 廣州化工,2009,37(6):168-170.

［2］史長(zhǎng)根,郭宏新,劉豐,徐宏,史和生,汪育,練綿炎.高壓換熱器鈦管―管板爆炸焊接模擬與試驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)研究.2011,28(11):21-24.

［3］李秀芹,鐘見(jiàn)平,杜占偉,張輝,王順田,牛志剛,等.木糖廠φ159×5純銅管的焊接工藝[J].科技資訊,2012,6:53-54.

［4］汪義高,楊昌明,張君凱,王旭,等,換熱器焊接處熱應(yīng)力數(shù)值模擬[J]. 潤(rùn)滑與密封,2010,35(1):83-852.

［5］孫轉(zhuǎn)平.鎂合金幾種不同焊接接頭的腐蝕行為及其防護(hù)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2010.

［6］初保澤. 鎢極氬弧焊技術(shù)工藝的應(yīng)用與改進(jìn)[J].現(xiàn)代焊接，2010,12:83-852.

［7］徐維普.管板換熱器焊接工藝評(píng)定分析[J]. 化工裝備技術(shù),2009,30(3):25-26.

［8］王天先.高壓換熱器管子管板自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊[J].生產(chǎn)與應(yīng)用,2007,37(8):64-68.

［9］劉秀忠.ZA合金的連接及接頭組織與性能研究[D]. 大連:大連交通大學(xué) ,2006.

［10］趙愛(ài)彬.換熱器黃銅管與爆炸復(fù)合板焊接工藝的研究[J].壓力容器,2010,27(5):6-9.

［11］鄭學(xué)軍.鎳銅管焊接新工藝[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究）,2008,15:254-256.

［12］李江國(guó),舒少仁,姚輝軍,宋哲民,等.焊接參數(shù)對(duì)中頻逆變銅管焊接質(zhì)量的影響[J].制冷和空調(diào),2012,12(2):61-64.

［13］王振民,張棟,李晉,黃石生,等.換熱器管板的全位置自動(dòng)化焊接工藝[J] .自然科學(xué),2010,38(5):100-104.

［14］郭淑娟,張瑩瑩,楊坪,閆偉,等.換熱器管與管板接頭焊接殘余應(yīng)力的有限元分析[J].熱加工工藝, 2010，39(3):155-161.

［15］王懷建.鐵白銅焊接接頭的組織和力學(xué)性能[J].金屬鑄鍛焊技術(shù).2008,37(1):57-58.

［16］Amjad Saleh El-Amoush.Effect of Hydrogen on the Microhardness of Tin Brass Heat Exchanger Tube[J] Defect and Diffusion Forum Vol., 2012 ,329:45-53.

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(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向：新型高效節(jié)能石化裝備的研究與開(kāi)發(fā)。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。