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第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N o n f e I T o t l ． 4M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．2 M a v2010 化工用铜设备焊接缺陷及质量控制 阮 鑫1 ，张均2 ，孙安荣1 ，王成君3 1 ．河北化工医药职业技术学院，石家庄0 5 0 0 2 6 ；2 ．石家庄职业技术学院，石家庄0 5 0 0 8 1 ； 3 ．河北安装工程公司，石家庄0 5 0 0 3 1 摘要针对铜制设备加丁硬化和材质热导率大、不易熔合等特性，在分析其主要焊接缺陷及产生原因，采用钨极氩弧焊为 主焊条电弧焊为辅的方法．并与传统的化工过程设备制造方法比较，研究优化施丁二的焊接工艺。结果表明，选择与设备母材配套 的焊丝，施焊中控制氩气适宜的流量及稳定性，严格按试验确定的工艺参数施焊，对保证焊缝的一次焊接合格率至关重要。 关键词金属材料；纯铜设备；焊接工艺措施；性能特点；焊接缺陷；钨极氩弧焊 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 T G 4 5 7 ．1 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 4 7 0 3 近年来，有色金属在化机制造中发展势头强劲，其 中铜材由于具有优良的耐腐蚀性及一定的强度，在化 工、食品等工业中应用日益广泛。然而，在其设备制造 焊接过程中，存在一些难题急需解决。主要问题是散 热快，使母材与填充金属难以熔合，此外焊接气孑L 和焊 接裂纹亦时有发生。结合近几年焊前试验及生产实 践，介绍中小型化工用铜设备 工业纯铜T 1 一T 4 焊接 中存在的问题、产生原因及质量控制措施。 1铜材的焊接性及常见缺陷形成机理 1 ．1 铜材的成分及特点 工业纯铜的含c u 量不低于9 9 ．5 ％，其他杂质 均不同程度地降低其各种优良性能。其中氧、硫、 铅、铋等元素还能与铜形成各种脆性化合物和低熔 点共晶，增加材料的冷脆性。因此宜严格控制 提 高冶炼技术 以上杂质的含量。加工硬化后的纯铜 可通过退火 5 5 0 ～6 0 0 ℃ 来恢复其塑性1 。工业 纯铜的成分及性能见表1 和表2 。 表1工业纯铜的化学成分 T a b l e1C h e m i c a le l e m e n t so fi n d u s f i a lp u r ec o p p e r 1 ．2 焊接性及常见缺陷形成机理 纯铜的热导率大，焊接时热量迅速传导出去，使 得填充金属与母材难以熔合。此外纯铜的线膨胀系 数和收缩率较大，容易产生焊接变形。当焊接区域 清理不干净时，由于氢 多从油污和水分中析出 溶 解度的变化会产生焊后氢气孔。 纯铜含有的杂质与铜易生成多种低熔点共晶， 收稿日期2 0 0 8 0 3 3 1 基金项目河北化工医药职业技术学院自然科学基金资助项目 Y Z 0 8 1 0 作者简介阮鑫 1 9 ．q 2 一 ，男，石家庄市人，教授，主要从事特种 材料及设备的制造焊接等方面的研究。 加之焊接应力，致使焊缝熔敷金属由液态向固态转 变时，分布于晶界间的低熔点共晶体就成为薄弱区， 因而易产生热裂纹旧- 。近期研究还发现，铜设备焊 缝熔合区及热影响区，由于高温波动易催生脆弱带 及微裂纹。即焊缝处经过反复多次急速地加热与冷 却后形成的一种裂纹，其发展趋势最终为断裂。它 多发生在厚壁设备的多层多道焊焊缝区域上 主要 在熔合区附近 或焊缝修补之处。特征是裂纹区域 材质性能发生变化 尤其是塑性、韧性降低 ，晶粒 松弛，晶格歪扭，有局部硬化现象。从本质上看，铜 材焊缝处多次反复加热与冷却，一是应力不断扩张、 收缩，致使焊缝疲劳开裂，二是加热过程中晶粒不断 万方数据 有色金属第6 2 卷 长大，从而使显著长大的粗化晶粒间松弛、脆弱，加 之焊缝处若干次地快速冷却，化合物逐渐析出、积 聚、延伸，出现薄弱边缘而致裂。此类裂纹可称为焊 接弧波裂纹，是若干因素 最高加热温度、加热与冷 却速度、高温停留时间、焊弧波动的幅度及次数等 综合作用的结果。消除和减弱其中的任何不利因 素，对于防止它的产生都是有利的。 表2工业纯铜的主要力学和物理性能 T a b l e2M e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fi n d u s f i a lp u r ec o p p e r 2 设备制作中的主要焊接工艺措施与 优化对策． 2 ．1 所焊设备概况与技术要求 结合近年来制造耐蚀设备的焊接实例，着重分 析和探讨铜设备几个主要焊接工艺过程与优化对 策。在某化工厂强腐蚀性介质的生产条件下，过去 大都采用不锈钢材料制造的过程设备，事故率高，维 修量大，使用寿命很短。改用纯铜设备后由于其优 良的性能，大大提高了适应性与使用寿命。设备制 造过程中，焊接所占的比重较大，施工中采用了钨极 制造，要求焊缝强度不低于母材强度的8 5 ％，焊后 无裂纹、气孔、未焊透等缺陷，焊后经0 ．1 5 M P a 水压 试验不允许有渗漏现象。简体及椭圆形封头在制作 过程中若铜板尺寸不够，可先进行平板拼接，然后再 卷制或冷压成形，焊接区不允许出现裂纹。 2 ．2 几个主要焊接工艺与优化措施 1 焊前准备。铜材的表面张力小，密度大，为 了防止铜液的流失及获得良好的焊缝背面成形，在 坡口的下方放置石墨垫板，将工件用夹具固定。为 了防止焊接过程中气孔及裂纹等缺陷的产生，在焊 接前对工件进行严格清理，坡口及其两侧各3 0 m m 氩弧焊为主焊条电弧焊为辅的方法，制造质量满足范围内用不锈钢丝轮打磨出金属光泽，再用丙酮擦 了化工生产的实际需要。洗焊口，以除掉有机物及其他杂质。焊接材料采用 设备材质全部采用T 3 纯铜 厚度为8 1 2 m m H S 2 0 1 焊丝 ，其化学成分见表3 。 表3H S 2 0 1 的化学成分 T a b l e3C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fH S 2 0 1 该焊丝在焊接过程中具有一定的脱氧能力。其 表面的油脂、氧化物及其他污染物，用汽油、无水乙 醇等溶剂清洗干净。用纯度为9 9 ．9 9 ％的氩气作保 护气体。为了去除焊接过程中产生的氧化铜，焊前 表面引。 2 焊接工艺参数及焊接层数。焊接设备采用 W S E 一5 0 0 交直流两用氩弧焊机、Q S 一7 5 。／5 0 0 A 水 冷氩弧焊枪。电源采用支流正接法，电极采用钍钨 用无水乙醇将气剂3 0 1 调成糊状涂抹于工件焊接区极。焊接工艺参数见表4 。 表4 铜设备焊接工艺参数 T I GJ T a b l e4T e c h n i c si n d e so fc o p p e re q u i p m e n t sw e l d i n g T I G 在中、厚壁铜设备的焊接中，应采用多层焊。根 据多年试验和经验表明，层数过多易带来负面影响， 主要是焊缝区受到焊接热循环作用次数过多易导致 性能劣化、引发弧波裂纹。事实是，在保证材料晶粒 度细小及应力较小的前提下，尽可能地减少焊接层 数及弧波次数。对于工业纯铜设备，一般按下式选 取焊接层数r g s ／ m d 式中d 为焊丝直径，m m ；S 为设备壁厚，i n m ；m 为修正系数。根据经验m 通常 取0 ．8 1 ．2 ，板材厚度大时m 可取较大值 。此外， 设备壁厚不同，焊道亦不相同，实际操作中，设备焊 缝的焊道数量通常按表5 选取⋯。 万方数据 第2 期阮鑫等化工用铜设备焊接缺陷及质量控制 4 9 表5 铜设备焊接的推荐焊道数量 T a b l e5W e l d i n g - p a t h sn u m b e ro fr e c o m m e n d a t i o n f o rc o p p e re q u i p m e n t s 壁 垦 竺 二 焊道数量 3 44 55 66 7 3 焊接操作技术要点。 a 在引弧板上引弧， 电弧引燃后，调节氩气的流量达到规定的要求。当 电弧燃烧稳定后，将电弧移到工件的起焊处进行焊 接。 b 采用右焊法施焊。一方面可以增加熔深， 另一方面可以降低熔池的冷却速度，减少产生气孔、 裂纹的倾向，并且容易观察熔池及焊缝成形。 C 始终保持钨极中心线与焊缝中心线在同一平面内。 焊丝和焊缝中心线夹角为l O 。一1 5 0 。 d 操作时焊 枪均匀、平稳地向前作直线运动，保持恒定的电弧长 度、严禁电弧弧长忽高忽低，防止空气瞬间进入熔 池“ “1 。 e 喷嘴和工件间距离为l O m m 左右，太大 会影响气体的保护效果，太小会影响送丝的稳定性。 送丝要稳、准、匀，填充焊丝在位于钨极的前方边熔 化边送丝，焊丝不能直接插入熔池。 f 熄弧在熄弧 板上完成，冷却后用钢丝刷清理焊缝表面“。。 试验及生产实践表明，采用上述工艺及优化措 施，可取得满意的效果。设备施焊后主要焊接质量 和检验结果见表6 。氩气质量及其适宜的流量，是 保证铜设备焊接质量的基本条件，在整个施焊过程 中宜保证它的相对稳定性。焊丝的牌号和直径要根 据母材来确定，且要保证施焊区及其焊丝的清洁度 和干燥度。焊接工艺参数及操作技术，是至关重要 的中心环节，需要反复试验、操练和调节，以求施焊 过程中取得最佳的焊接效果。 表6 铜设备焊后检验结果 T a b l e6A f t e r w e l d i n gt e s tr e s u l to fc o p p e re q u i p m e n t s 3结语 只要充分了解、掌握所用材质的基本特性，在施 焊制作过程中，根据铜设备的具体结构及材质特性 参考文献 有针对性地采取相应技术措施，严格把好各个施工 环节质量关，就可生产出满意合格的产品。 致谢在研究及写作过程中，得到了海南师范学 院孙玉坤教授的热情关怀与指导，在此深表谢意。 [ 1 ] 季杰，马学智．铜及铜合金的焊接[ J ] ．焊接技术，1 9 9 9 ，2 8 2 1 3 一1 5 ． [ 2 ] 中国机械T 程学会焊接学会．焊接手册 第2 卷材料的焊接 [ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 1 4 6 5 4 6 6 ． 【3 ] 刘占民，李明利．钨极氩一氮电弧行为及厚板紫铜冷焊的分析[ J ] ．焊接，2 0 0 5 ，4 9 1 0 2 0 一2 1 ． [ 4 ] 张麦秋．化工机械安装修理[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 5 0 1 5 3 ． [ 5 ] 刘云龙．焊工技师手册[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 0 8 9 9 2 ． [ 6 ] 朱方鸣．化工机械制造技术[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 5 1 2 3 1 2 5 ． [ 7 ] A h m e tD ，B e h c e tG ，F e h i mF ．E x a m i n a t i o no fc o p p e r ／s t a i n l e s ss t e e lj o i n t sf o r m e db ye x p l o s i v ew e l d i n g [ J ] ．M a t e r a i l sa n d D e s i g n ，2 0 0 5 ，2 6 6 4 9 7 5 0 7 ． [ 8 ] N g u y e nLT ，M c D o n a l dD ，D a n k e rAR ，e ta 1 ．O p t i m i z a t i o no fc o p p e rw i r eb o n d i n go nA I C um e t a l l i z a t i o n [ C ] ／／I E E E T r a n s a c t i o n so nC o m p o n e n t s 。P a c k a g i n g ，a n dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g yP a r tA ，19 9 5 4 2 3 4 2 9 ． W e l d i n gD e f e c ta n dW e l d i n gQ u a l i t yC o n t r o lo fC h e m i c a lI n d u s t r yE q u i p m e n t so fP u r eC o p p e r R U A NX i n 。．Z H A N GJ u n 2 。S U NA n r o n 9 1 ，W A N GC h e n g - j u n ’ 1 ．H e b e iV o c a t i o n a lT e c h n o l o g yC o l l e g eo fC h e m i s t r y ＆M e d i c a m e n t ，S h i f i a z h u a n g0 5 0 0 2 6 ，C h i n a ； 2 ．S h i j i a z h u a n gV o c a t i o n a lT e c h n o l o g yC o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 81 ，C h i n a ； 3 ．H e b e iI n s t a l l a t i o nC o n s t r u c t i o nC o m p a n y ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 3l ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ep r o b l e m so fc o p p e re q u i p m e n tw e l d i n gs u c ha sh i g hm a c h i n i n gr i g i d i t y ，g r e a th e a tc o n d u c t i v i t y a n df u s i o nd i f f i c u l t y t h em a i nw e l d i n gd e f e c ta n dt h ec a u s ea r ea n a l y z e d ，a n dc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l p r o d u c t i o np r o c e s so ft h ec h e m i c a le q u i p m e n t ，t h eo p t i m a lw e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t u n g s t e ne l e c t r o d ea r g o n - a r cw e l d i n ga s s i s t a n tw i t hw e l d i n gr o d ．i si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u i t a b l em a t e r i a lo fw i r ef o r w e l d i n gc o n s o n a n tw i t ht h ee q u i p m e n tm a t e r i a l ，a p p r o p r i a t ea n ds t a b l ea r g o nf l o wr a t e ，o p e r a t i n gs t r i c t l yw i t ht h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sd e r i v e df r o me x p e r i m e n t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rd i r e c t l ya c h i e v i n gs a t i s f i e de f f e c t o ft u n g s t e n e l e c t r o d ea r g o n a r cw e l d i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；e q u i p m e n t s o f p u r ec o p p e r ；w e l d i n gt e c h n o l o g y ；q u a l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c s ； w e l d i n gd e f e c t ；t u n g s t e ne l e c t r o d ea r g o n - a r cw e l d i n g 万方数据