通過對紫銅與不銹鋼的焊接性能分析和試驗,確定了合理的TIG焊焊接工藝,獲得了優質的焊接接頭,解決了紫銅管與不銹鋼管對接焊接的技術難題。

1引言

韶鋼大轉爐工程的轉爐頂吹供氧閥站,其管道的設計壓力為2.5MPa,屬GC2類供氧壓力管道,設計利用紫銅管作為阻火器,主要是因為紫銅管具有導熱性能優良、常溫塑性良好的特性,用于介質流速急劇變化且易燃易爆的特殊管段上,可起到阻火和快速散熱的效果。由于阻火器前后均為不銹鋼管(0Cr18Ni9),故需進行紫銅管與不銹鋼管對接焊。紫銅管和不銹鋼管有!159mm>6mm,!325mm>10mm2種規格,每種規格各有8個對接焊口,設計技術要求采用全焊透連續焊。

2焊接性分析

紫銅與奧氏體不銹鋼的焊接屬于異種金屬焊接,兩者的物理性質差異很大,熔點相差達400以上,使焊接難度增大,能否獲得滿意的焊接接頭,取決于被焊金屬的物理性能、化學成分和所采用的焊接方法及工藝。

2.1物理性能差異分析

1為銅和不銹鋼物理性能比較,由表1可見,鋼與銅物理性能差別很大,銅的熱導率是鋼的23.6倍。焊接時熱量會迅速從加熱區向外傳導,熔合區難以達到熔化溫度,致使填充金屬與母材不能很好熔合,產生焊不透現象。

銅的線脹系數比鋼略大,而收縮率是鋼的2.35倍,且銅的導熱能力強,冷卻凝固時變形量大,而焊接接頭的剛度大,則焊接變形受阻后就會產生很大的焊接應力,成為導致焊接裂紋產生的力學原因。

2.2化學成分差異分析

根據金屬學原理,元素間的相容性對異種金屬的焊接性起決定性的作用,化學元素間的相互溶解度取決于溶質元素之間的晶體點陣類型、原子尺寸、晶格常數的差別。高溫(912~1390)時FeCu晶體結構均為面心立方(fcc)、原子半徑尺寸相近、晶格常數接近,故鋼與銅的焊接性較好。但銅與鋼焊接時,焊縫金屬晶粒間容易形成(Cu+Cu2O),(Fe+Fe3S2),(Ni+Ni3S2)等多種低熔點共晶,在焊縫金屬凝固結晶的后期,這些低熔點共晶以“液態薄膜”的形式連續分布在固態a銅的晶粒邊界,割斷固體晶體間的聯系,削弱了晶間結合能力,致使焊縫金屬塑性顯著下降。此時,由于鋼和銅之間顯著的物理性能差異而或多或少產生的拉伸應力就有可能導致焊接接頭脆弱部位產生熱裂紋。銅和不銹鋼的化學成分比較如表2。

根據對銅和鋼焊接性的分析,選擇正確的焊接方法及合適的填充材料,制定合理的焊接工藝是獲得優良焊接接頭的關鍵。

3焊接方法選擇

紫銅與不銹鋼焊接可采用氣焊、氬弧焊等焊接方法。氣焊的焊接熔池溫度易于控制,容易實現單面焊雙面成形,對焊件進行焊前預熱和后熱也較便利。但由于氧乙炔焰溫度低,熱量分散,難以克服因紫銅散熱快而引起焊不透的缺陷,較難獲得良好的焊接質量。手工氬弧焊(TIG)氬氣保護可靠,熔池金屬不易發生氧化;焊接溫度高,能量集中且電弧和熔池可見性好,操作方便,易于控制熔池形狀及焊縫成形;沒有熔渣,不需焊后清渣,焊接接頭外觀質量好,故確定采用TIG焊的焊接方法。

4焊接材料選擇

選用紫銅焊絲HS201作為填充材料,焊絲的主要性能、化學成分見表3。

5焊接試驗

1)試驗用材料:板材分別為TUP,0Cr18ni9,焊接材料采用2.0mmHS201。

2)為方便制備拉伸、彎曲試樣,確定試板尺寸為300mm>200mm,#=6mm,數量2套,坡口形式及其尺寸如圖1。

3)試件焊后經焊縫外觀檢測,未發現表面裂紋、氣孔等缺陷。經100%射線檢測,2張片子的檢測報告均為!級,合格。

4)經拉伸試驗得!b1=200MPa>196MPa,!b2=205MPa>196MPa,焊接接頭的抗拉強度高于紫銅。

5)制取冷彎試樣4件,寬度為30mm,彎曲角度為180,抗彎試驗結果:無裂紋,合格。

6焊接工藝應用

6.1坡口及焊材清理

管端加工坡口形式見圖2,對于159mm*6mm管,留鈍邊!1~2mm、間隙為2~3mm;對于325mm>10mm管,留鈍邊!2~3mm、間隙為3mm.并用四氯化碳清洗坡口表面及兩側20mm范圍內的油污、水分、銹蝕、氧化物及其他夾雜物,直至露出金屬光澤。焊絲表面也嚴格除油并放入烘箱中烘干,烘焙溫度為150~200.

6.2焊前預熱

由于紫銅導熱系數大,散熱迅速,故施焊前必須先用中性焰對銅管一側進行預熱(溫度400~450),焊接過程中仍要保持焊縫層間溫度不低于預熱溫度。

6.3焊接

施焊時采用短弧焊,電弧中心要偏向銅管側約2~4mm,一方面減少銅管側的熱量損失,以免發生未焊透、未熔合等缺陷;另一方面也可防止不銹鋼管一側受熱過多而產生燒穿、咬邊現象。采用連續送絲方式,不能采用不加焊絲而將2種母材直接熔合的方法。

施焊過程中盡量減少熄弧次數,熄弧前為防止出現弧坑和過早失去保護,應在熄弧前多添加填充金屬,填滿后再熄弧停止送氬氣。

6.4焊后保溫

焊接完畢后,用復合硅酸鹽氈覆蓋焊口保溫緩冷,以減弱焊接應力,防止裂紋產生。

6.5質量檢驗

對焊縫進行了100%著色滲透探傷,未發現裂紋、氣孔、未焊透等缺陷。根據《氧氣管道施工說明》要求抽檢5處進行射線探傷,結果為級,合格。供氧閥站工藝管道經2.875MPa氣壓試驗合格,現已投入使用。

7結束語

2003322日轉爐工程投產以來,氧氣管已安全運行9個多月,并保證了新轉爐順利達產,證明所采用的焊接工藝可行。通過對紫銅管與不銹鋼管的焊接性研究和實踐,探索出成功的異種金屬焊接工藝,此焊接工藝可在同類型焊接施工中推廣應用。