铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接 一 基本性能 3铜具有面心立方结构，具有非常好的加工性能。铜的密度为0.89×10Kg/m，具有优良的导热性、导电性、耐蚀性、延展性及一定的强度;铜中通常可以添加约10多种合金元素，以提高抗蚀性、强度和改善机加工性能。加入的元素多数以固溶体为主，并在加热及冷却过程不发生同素异构转变。 常用铜及合金的分类 纯铜(紫色)---纯铜:具有极好的导电性、导热性、良好的常温和低温塑性，耐大气、海水、和某些化学药品;杂质量多时增加材料的冷脆性和热裂倾向。具有加工硬化倾向。可通过550-600?温度下退火恢复塑性。 黄铜---铜锌锡合金(C44300):强度、硬度、和耐蚀性较高，有一定塑性，能承受冷热加工， 青铜---铜铝合金、铜锡合金、磷青铜、铜硅合金:高强度，一定的塑性，加热冷却过程中无同素异构转变，导热性显著下降。 白铜----镍铜合金(C71500):导热性接近于碳钢，高的耐蚀性而用于化工和海水工程。焊接时对磷、硫杂质很敏感，易形成热裂。白铜按合金中镍含量的分类，在焊接结构中使用最多的是，10%Ni、20%Ni、 30%Ni;由于镍无限固溶于铜，白铜具有单一的 相组织，白铜的导热性和导电性与碳钢很接近，因此容易焊接，不需预热;但由于白铜对铅、硫、磷等杂质敏感，易形成热裂纹; 表一 合金元素在铜中的作用 元素 高温 室温 作用 备注 温度 溶解度 溶解度 存在形式 Zn 927 32.5% 37% 固溶 易从非常轻微过热的熔融金属中挥发(2)强氧黄铜 化焰时可形成一层氧化膜抑制挥发。 Sn 788 13.5% <1% 单相固溶 焊接时，大气中锡先氧化而夹裹在焊缝金属中增 大热裂倾向。 Ni 无限固溶 残余杂质元素过多时，产生脆化和热裂，填充金白铜 属中添加锰脱硫和脱氧; 铝 7.8% 9—15%具有两相组织，能进行马氏体或共析体 转变。 硅 816 5.3% 3.6% 脱氧剂来改善强度、韧性、和塑性。 硅青铜 锰 能高度溶解使用0.05,1.25% 磷 649 1.7% 0.4% 抑制脱锌，作为增强剂和脱氧剂 磷青铜 表二 铜和铁的物理性能 -1-1-1金属 热导率/W?M?K 线胀系数/10-6K比热容J?G-1??表面张力/×收缩率 -1(20,100?) -1(20?) 10-5N?? (%) 20? 1000? CU 393.6 326.6 16.4 0.3489 1300(1200) 4.7 FE 54.8 29.3 14.2 0.4602 1835(1550) 2.0 C44300 117.04 19.9 1.92 C71500 37.20 16 二 焊接性 1 难熔合焊缝成型能力差 铜的热导率高，导热系数是钢的7倍。随温度升高，导热率的差别更大。焊接时，大量的热被传导出去，使母材与填充金属难以融合;必须采用功率大、热量集中的热源或预热;热影响区很宽。表面张力小，流动性大，表面成型能力差;线胀系数和收缩率大，焊后变形或应力较大。主要缺陷:未熔合、未焊透、 焊缝成型不良、焊接变形。 2 铜的氧化 铜在温度超过300?时，其氧化能力很快增大，当温度接近熔点时，其氧化能力最强，氧化生成氧化亚铜，焊缝金属结晶时与铜形成低熔共晶物，分布在晶界上。大大降低接头的性能。 3 热裂倾向大 铜合金焊接时在焊缝及熔合区易产生热烈纹，其主要原因为: (1)铜能与多种杂质形成低熔共晶物，使铜及合金具有明显的热脆性。氧的危害最大，氧化亚铜溶于液态铜不溶于固态铜，杂质含量超过上限O?0.02%;Pb?0.03%;BI?0.005%就会产生热裂纹，焊件中的铋、铝等低熔点杂质在晶界上形成偏析。(2)柱状晶(3)线膨胀系数是钢的1。5倍，焊接应力大;主要缺陷:热裂纹， 防止措施:(1)限制焊接时母材、焊丝中杂质含量;(2)增强对焊缝的脱氧能力，采用合金焊丝;(3)选用能获得双相组织的的焊丝;(4)加强焊接清理和焊接保护; 焊丝与填充丝使用 4 气孔 铜合金生成气孔倾向远比钢严重，一方面是由于导热性好，其根本原因是气体溶解度随温度下降而急剧下降及化学反应产生气体所致。铜中气孔可分两种类型，既氢造成的扩散性气孔和水蒸气造成的反应性气孔，主要为氢气孔， (1)氢高温时大量溶解，室温时溶解度急剧下降;(2)氧化亚铜在焊缝凝固时与氢和CO生成反应气孔;(3)铜合金的导热率大(4)低沸点元素的蒸发形成气孔。 防止措施:(1)防止焊缝金属吸氢及氧化 加强焊件表面清理，焊材烘干，保持环境干燥，减少氢和氧的来源;(2)选择合适的焊接工艺参数，降低冷却速度，延长熔池存在时间，增大焊缝系数;(3)采用含强脱氧剂焊丝或母材，(4)焊接时加强保护效果;采用快速焊和低沸点元素含量少的焊丝。 5 接头性能变化 焊接铜合金时，由于合金元素的氧化和蒸发，有害杂质的侵入、焊缝金属和热影响区组织的粗大，同时一些焊接缺陷的存在，致使接头性能发生变化: (1)塑性严重变坏 晶粒变粗，脆性共晶物在晶界聚集 (2)导电性下降 (3)耐蚀性下降 (4)晶粒粗化 (5)低沸点元素蒸发 改善和防止方法是选择合适的焊接材料，严格控制工艺参数，根据情况做焊后热处理。 6 焊接应力和变形大 焊接收缩率大，导热能力强，焊接时易产生较大的应力和变形。 三 焊接工艺 1 焊接方法的选择 焊接铜及合金需要大功率，高能束、的熔焊热源。 薄板—TIG、SMAW、OFC;中板—MIG、电子束 厚板—SAW、MIG、电渣焊 2 焊接材料 焊丝应满足一般工艺，控制杂质含量，提高脱氧能力，一般采用与基材相同，国外有专门的焊丝。ERCuNi填充金属，在填充金属中，加入镍强化焊缝金属并改善抗腐蚀能力，特别是抗盐水腐蚀，焊缝金属具有良好的热和冷延性，当采用GTAW焊接时，不要求预热，可全位置进行焊接，电弧尽可能短，以保证适当的保护气体屏蔽而尽量减少气孔。 焊剂保护和改善焊缝成型， 3 焊接预处理和接头形式 焊前清理，接头形式一般选用对接和端接头，以保持被焊接头相对热源成对称形。 一般采用双面焊，不等厚工件焊接应采用厚度过度接头，尽可能采用平焊， 4一般特性 (1)GTAW DCEN (2)GMAW DCEP (3)保护气体 氩气、氦气或两者的混合气体 (4)母材应无水汽和其他污物; 5 焊前准备及操作 坡口制备:3mm以下，不开坡口;4-10mm开V型坡口，厚度大于10mm时，开双Y型坡口。焊前清理，预热，采用高频引弧，左向焊法，层间温度控制在预热温度以上。焊下一层前，要用钢丝刷清理焊缝表面氧化物。喷嘴至工件距离以10-15mm为宜。焊丝一般不离开熔池，但不能接触钨极。焊接层次不宜过多，底层焊道应熔合良好，防止气孔、裂纹等缺陷产生。 关于06-386设备制作的焊接热处理技术问题 1、焊接坡口形式; 2、焊接材料问题:变更E347---E316L 3、管箱热处理问题:不锈钢的热处理工艺制定的依据、规范和检验方法; 4、筒体热处理问题:BFE-30-1的热处理规范的制定依据、规范和检验验收 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ; 5、ERNiCu-7与ERCuNi合金焊材在使用方面的区别及优越性; 6、GJB481-88焊接质量控制要求 7、510-719-04铜镍合金焊条和焊丝技术条件 8、换热管与管板焊接工艺评定中的密封实验; 9、BFE-30材料的焊接特点及焊接过程应注意问题，确定焊接参数对焊接接头性能的影响; 附件1 厚壁大口径BFe10-1-1铁白铜管焊接试验 渤海船舶重工有限责任公司(葫芦岛市 125004) 刘殿宝 高 峰 刘 放 摘要: 对进口的φ340 mm×16 mmBFe10-1-1铁白铜管采用进口的MONEL67焊丝和MONEL187焊条进行焊接工艺试验和焊接工艺评定，制订出了厚壁BFe10-1-1铁白铜管的焊接工艺规程。 关键词: BFe10-1-1铁白铜管 焊接工艺 WELDING PROCEDURE OF BFe10-1-1 COPPER- ALLOY THICK- 〖JZ〗〖WT5BZ〗Bohai Shipbuilding Important Industry Co. Ltd Liu Dianbao， Abstract The welding procedure test and welding procedure qualification test of imported φ340 -nickel alloy thick wall pipe were completed using imported MONEL67 wire and MONEL187 welding electrode. The welding procedure specifications used for BFe10-1-1 copper-nickel Key words: BFe10-1-1 copper-nickel alloy pipe， welding procedure， MONEL67/ MONEL187 0 前 言 我公司采用德国KME公司生产的φ340 mm×16 mm BFe10-1-1铁白铜管，匹配美国INCO公司生产的MONEL67(相当于AWS A5.7 ERCuNi)焊丝[1]和MONEL187(相当于AWS A5.6 ECuNi)焊条[2]，进行了厚壁大口径BFe10-1-1铁白铜管对接焊接试验，并参照JB4708-2000标准的内容进行了焊接工艺评定，编制出了焊接工艺规程。 1 试验用材料及设备 试验用母材为BFe10-1-1铁白铜管，供货状态为退火态，其化学成分及力学性能见表1、表2。 焊接材料为美国INCO公司生产的φ1.6 mm MONEL67条状焊丝和φ2.4 mm、φ3.2 mm MONEL187焊条。 手工钨极氩弧焊设备为美国LINCOLN公司的SQUAREWAVE TIG355交直流两用氩弧焊机，采用直流正接，手工电弧焊采用ZX5-400硅整流焊机。 2 焊接试验 2.1 坡口形式、尺寸及装配 经试验确定，厚壁BFe10-1-1铁白铜管对接接头的坡口形式为V形，采用机加工方法制备，见图1。装配时为防止焊缝横向收缩导致根部间隙变小而无法实现钨极氩弧焊内填丝单面焊双面成形，焊接定位焊缝时，在接头4等分处的坡口中放置如图2所示的白铜(材质为B10或B30)定位塞块来保持装配间隙。每焊接一段打底焊缝后去掉一块定位塞块。 2.2 焊接工艺试验 (1)焊前准备 焊前仔细清除坡口及其内外两侧20 mm范围内的氧化膜、油污、铁锈、水分及其它污物，并用丙酮擦洗干净。 (2)焊接顺序 采用手工钨极氩弧焊内填丝单面焊双面成形的技术进行打底焊、填充焊(φ1.6 mmMONEL67焊丝)，焊缝厚度?5 mm后采用手工电弧焊方法(φ2.4 mm及φ3.2 mmMONEL187焊条)进行填充焊和盖面焊。 (3)钨极氩弧焊焊接工艺参数 焊接位置为管子水平转动位置，氩气纯度为99.999%,具体工艺参数见表3。 (4)手工电弧焊焊接工艺参数 焊接位置为管子水平转动位置。其工艺参数见表4。 (5)无损检验 为便于对焊缝中的缺陷(主要是气孔)进行返修，在手工钨极氩弧填充焊焊至规定厚度(?5 mm)时，进行一次射线检验，合格后进行手工电弧填充焊，在手工电弧焊填充焊缝焊至约12 mm时，再进行一次射线检验，合格后焊接余下焊缝。全部焊缝焊接结束后，再进行一次射线检验。射线检验结果需满足JB4730-94的?级焊缝要求。 3 气孔试验 在厚壁BFe10-1-1铁白铜管手工钨极氩弧焊和手工电弧焊焊缝中都出现了气孔，尤其手工电弧焊焊缝中的气孔较为严重，且难以控制。解剖发现，手工电弧焊焊缝中的气孔均为沿焊缝长度方向分布的长条状气孔。通过查阅资[3]并经试验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，为了防止BFe10-1-1铁白铜管焊缝中产生气孔，需控制焊缝中氢和氧的来源。 3.1 控制焊缝中氢的来源 在手工钨极氩弧焊时仔细清理工件表面的杂质和使用高纯度氩气;在手工电弧焊时严格执行焊条烘焙要求(310~320 ?×2 h)和领用程序(使用可通电加热的保温筒领用焊条);控制环境湿度(不得超过85%);采用短弧焊接并控制焊道宽度不超过焊条直径的3倍。 3.2 控制焊缝中氧的来源 在氩弧焊时，仔细清除掉坡口附近和前一焊道表面的杂质及氧化膜、并使用高纯度氩气;在手工电弧焊时，电弧长度必须尽可能的短，防止焊道过热并禁止过早敲掉渣壳;每焊接一道焊缝之前，必须用铝基砂轮清除掉前一焊道表面的氧化膜、飞溅和其它杂质。 4 焊接工艺评定试验 按照JB4708-2000的要求焊制了φ340×16 mmBFe10-1-1铁白铜管对接焊缝焊接工艺评定试件，并进行了射线探伤检验和理化性能检验。射线检验的结果满足JB4730-94?级焊缝的要求，接头拉伸试验，侧弯试验，冲击试验和金相检验的结果均在合格指标内。 5 结 论 焊接工艺评定结果证明，厚壁大口径BFe10-1-1铁白铜管对接接头的坡口形式、装配要求、焊接工艺参数及无损检验、焊缝返修等焊接工艺是合理的、可行的，并已应用于产品焊接。 参 考 文 献 1 ANSI/AWS A5.7-84 specification for copper and copper alloy bare welding rods and electrodes 2 ANSI/AWS A5.6-84 specification for covered copper and copper alloy arc welding electrodes 3 周振丰.金属熔焊原理及工艺(下).北京:机械工业出版社，1981:177,179