通过对紫铜与不锈钢的焊接性能分析和试验,确定了合理的TIG焊焊接工艺,获得了优质的焊接接头,解决了紫铜管与不锈钢管对接焊接的技术难题。

1引言

韶钢大转炉工程的转炉顶吹供氧阀站,其管道的设计压力为2.5MPa,属GC2类供氧压力管道,设计利用紫铜管作为阻火器,主要是因为紫铜管具有导热性能优良、常温塑性良好的特性,用于介质流速急剧变化且易燃易爆的特殊管段上,可起到阻火和快速散热的效果。由于阻火器前后均为不锈钢管(0Cr18Ni9),故需进行紫铜管与不锈钢管对接焊。紫铜管和不锈钢管有!159mm>6mm!325mm>10mm2种规格,每种规格各有8个对接焊口,设计技术要求采用全焊透连续焊。

2焊接性分析

紫铜与奥氏体不锈钢的焊接属于异种金属焊接,两者的物理性质差异很大,熔点相差达400以上,使焊接难度增大,能否获得满意的焊接接头,取决于被焊金属的物理性能、化学成分和所采用的焊接方法及工艺。

2.1物理性能差异分析

1为铜和不锈钢物理性能比较,由表1可见,钢与铜物理性能差别很大,铜的热导率是钢的23.6倍。焊接时热量会迅速从加热区向外传导,熔合区难以达到熔化温度,致使填充金属与母材不能很好熔合,产生焊不透现象。

铜的线胀系数比钢略大,而收缩率是钢的2.35倍,且铜的导热能力强,冷却凝固时变形量大,而焊接接头的刚度大,则焊接变形受阻后就会产生很大的焊接应力,成为导致焊接裂纹产生的力学原因。

2.2化学成分差异分析

根据金属学原理,元素间的相容性对异种金属的焊接性起决定性的作用,化学元素间的相互溶解度取决于溶质元素之间的晶体点阵类型、原子尺寸、晶格常数的差别。高温(912~1390)时FeCu晶体结构均为面心立方(fcc)、原子半径尺寸相近、晶格常数接近,故钢与铜的焊接性较好。但铜与钢焊接时,焊缝金属晶粒间容易形成(Cu+Cu2O),(Fe+Fe3S2),(Ni+Ni3S2)等多种低熔点共晶,在焊缝金属凝固结晶的后期,这些低熔点共晶以“液态薄膜”的形式连续分布在固态a铜的晶粒边界,割断固体晶体间的联系,削弱了晶间结合能力,致使焊缝金属塑性显著下降。此时,由于钢和铜之间显著的物理性能差异而或多或少产生的拉伸应力就有可能导致焊接接头脆弱部位产生热裂纹。铜和不锈钢的化学成分比较如表2

根据对铜和钢焊接性的分析,选择正确的焊接方法及合适的填充材料,制定合理的焊接工艺是获得优良焊接接头的关键。

3焊接方法选择

紫铜与不锈钢焊接可采用气焊、氩弧焊等焊接方法。气焊的焊接熔池温度易于控制,容易实现单面焊双面成形,对焊件进行焊前预热和后热也较便利。但由于氧乙炔焰温度低,热量分散,难以克服因紫铜散热快而引起焊不透的缺陷,较难获得良好的焊接质量。手工氩弧焊(TIG)氩气保护可靠,熔池金属不易发生氧化;焊接温度高,能量集中且电弧和熔池可见性好,操作方便,易于控制熔池形状及焊缝成形;没有熔渣,不需焊后清渣,焊接接头外观质量好,故确定采用TIG焊的焊接方法。

4焊接材料选择

选用紫铜焊丝HS201作为填充材料,焊丝的主要性能、化学成分见表3

5焊接试验

1)试验用材料:板材分别为TUP0Cr18ni9,焊接材料采用2.0mmHS201

2)为方便制备拉伸、弯曲试样,确定试板尺寸为300mm>200mm#=6mm,数量2套,坡口形式及其尺寸如图1

3)试件焊后经焊缝外观检测,未发现表面裂纹、气孔等缺陷。经100%射线检测,2张片子的检测报告均为!级,合格。

4)经拉伸试验得!b1=200MPa>196MPa!b2=205MPa>196MPa,焊接接头的抗拉强度高于紫铜。

5)制取冷弯试样4件,宽度为30mm,弯曲角度为180,抗弯试验结果:无裂纹,合格。

6焊接工艺应用

6.1坡口及焊材清理

管端加工坡口形式见图2,对于159mm*6mm管,留钝边!1~2mm、间隙为2~3mm;对于325mm>10mm管,留钝边!2~3mm、间隙为3mm.并用四氯化碳清洗坡口表面及两侧20mm范围内的油污、水分、锈蚀、氧化物及其他夹杂物,直至露出金属光泽。焊丝表面也严格除油并放入烘箱中烘干,烘焙温度为150~200.

6.2焊前预热

由于紫铜导热系数大,散热迅速,故施焊前必须先用中性焰对铜管一侧进行预热(温度400~450),焊接过程中仍要保持焊缝层间温度不低于预热温度。

6.3焊接

施焊时采用短弧焊,电弧中心要偏向铜管侧约2~4mm,一方面减少铜管侧的热量损失,以免发生未焊透、未熔合等缺陷;另一方面也可防止不锈钢管一侧受热过多而产生烧穿、咬边现象。采用连续送丝方式,不能采用不加焊丝而将2种母材直接熔合的方法。

施焊过程中尽量减少熄弧次数,熄弧前为防止出现弧坑和过早失去保护,应在熄弧前多添加填充金属,填满后再熄弧停止送氩气。

6.4焊后保温

焊接完毕后,用复合硅酸盐毡覆盖焊口保温缓冷,以减弱焊接应力,防止裂纹产生。

6.5质量检验

对焊缝进行了100%着色渗透探伤,未发现裂纹、气孔、未焊透等缺陷。根据《氧气管道施工说明》要求抽检5处进行射线探伤,结果为级,合格。供氧阀站工艺管道经2.875MPa气压试验合格,现已投入使用。

7结束语

2003322日转炉工程投产以来,氧气管已安全运行9个多月,并保证了新转炉顺利达产,证明所采用的焊接工艺可行。通过对紫铜管与不锈钢管的焊接性研究和实践,探索出成功的异种金属焊接工艺,此焊接工艺可在同类型焊接施工中推广应用。