钨极氩弧焊焊接紫铜与16MnR的工艺分析

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摘 要：根据化工设备热交换器制作为载体，采用钨极氩弧焊的焊接工艺，对薄壁紫铜管与厚度大的16mnr板的焊接接头进行分析与研究，根据最后成型焊缝的工艺评定和制作过程经验总结，编制了适合设备加工企业采用钨极氩弧焊进行薄壁紫铜管与厚壁大的16MnR板焊接的一套工艺。。

关健词：钨极氩弧焊；薄壁紫铜管；16MnR；焊接工艺

中图分类号： P755.1 文献标识码： A

2008年，我单位承接了一家石油化工研究院新开发的油田用换热器制作，设计热交换核心部件为薄壁紫铜管与16MnR管板焊接而成的组合件，难点就在于异种金属的焊接，而且焊缝处比较复杂，焊接时不容易操作。这种热交换器壳体内径为663mm，结构形式如图1所示

这种管板型换热器原理为通过在换热管内流动的液体专利将热量交换给壳体内换热管外的石油，增加石油材料的流动性。主要材料选择壳体和管板为16MnR,换热管为薄壁紫铜管，内外折流板材质为抗腐蚀高分子材料。设计参数为a：工作压力壳程为1.6MPa，管程为1.0MPa；压力试验（水压）壳程为2.0MPa，管程的为1.25MPa。b、容器设计容积为1.1m3。c、材料规格：壳体及管板材质16MnR，δ=42mm，换热管材质为磷脱氧铜（TP2Y），直径Φ16mm，壁厚1.25mm。d、连接方式：管板与壳体采用焊接连接，紫铜管与管板之间采用焊接连接，焊后进行水压试验。管板与壳体的焊接工艺较为普通，设备制造的关键点在于板（16MnR)-管(TP2Y)的异种金属焊接。

一、 TP2Y与16MnR可焊性分析

对于板（16MnR)-管(TP2Y)的异种金属元素焊接，焊缝成型时的最大问题是焊缝区、热影响区易产生裂纹，其中在焊缝区异种金属熔合部分容易产生热敏裂纹，在16MnR钢近焊缝区容易形成渗透裂纹。如何防止裂纹的产生是本次焊接的关键之处。

通过查阅资料，可知16MnR及磷脱氧铜材料元素组成及物理性能，元素组成详见表l，物理性能见表2。

表1

表2

图2为经过金相分析的Cu-Fe相图

图2 Cu-Fe相图

从Cu-Fe相图（图2）所示的铜-铁状态图来看，铜元素与铁元素是相互固熔的，铜元素与铁元素可形成α相、α+ε相、ε相组织。这就奠定了铁基金属可与铜基金属焊接的理论基础。表明采取合适的焊接工艺可以实现目标。

对焊接裂纹的分析可以分为热裂纹和渗透裂纹来分析，焊接过程中热裂纹的产生主要原因之一是因为铜元素和铁元素的受热线膨胀系数相差比较大，焊接过程中产生应力导致热裂纹，此外焊缝中合金成分和组织的影响对热裂纹的产生影响也比较大。当焊缝组成为二元合金（Cu-Fe)时，焊缝中含铁量对热裂纹的影响较大，当含铁量低于1.2%时，焊缝二元合金的结晶特点和紫铜与紫铜焊接时差不多，大部分为比较粗壮的α单相组织，单一的α相决定了焊缝的抗热裂性能较低。但随着含铁量的提高，超过10%后，焊缝中二元合金（Cu-Fe）组成逐渐转变为双相α+ε，焊缝的抗热裂性能急速提高，到45%左右时时，组建焊缝的抗裂性能取得最佳平衡点。

对于热影响区渗透裂纹的产生因素，主要是铜元素呈液态后，对16MnR材料的渗透改变铁合金元素的金相组织及焊缝过程中产生的热应力拉伸的共同作用的结果，它是在金属熔化时形成的，主要与焊缝区及热影响区金属组织在高温状态下的组织结构和熔池形成条件和存在时间有关，熔池形成时间越短、存在时间越长，构成热影响区的组织晶粒在高温状态下变的粗壮，渗透裂纹出现的几率大大增加。

二、焊接方法的选择

在异种金属的焊接方面，可以选择气焊、手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊来焊接，我们通过实际情况，决定选用钨极氩弧焊。因为紫铜的导热性能良好，需要选择热量集中和热效率高的焊接方法，钨极氩弧焊接接头成功率高，热量集中，保护气对熔池的保护效果比较好，而且飞溅比较小，焊接时采用正确的工艺和手法，能够保证熔池体积，确保电弧稳定和良好的熔深。更重要的是钨极氩弧焊相对来说焊接时在焊缝和热影响区不过热，可以降低热裂纹和渗透裂纹的产生，通过仔细分析连接件情况，我们决定在焊接时采用不填丝的焊接方法，通过控制紫铜管探出长度和焊接角度、位置，确保焊缝中含铁量在最优比例。

原则钨极氩弧焊的原因如下：

a、钨极氩弧焊采取氩气和氦气的混合气体，氩气和氦气都属于惰性气体，不与金属起反应，也不溶于液态金属，所以焊接过程中以氦气为主要保护气体，加入30%比例的氩气，焊接过程热效应高，电弧稳定性好，焊缝熔深能够得到保证，而且惰性气体密度较重，能够形成浓密的保护层，能够达到优秀的焊接质量。

b、焊接时，当电极为正极时，母材是阴极，从其表面发射出电子，形成阴极斑点，当阴极斑点收到质量较大的正离子撞击，会破坏母材表面的氧化膜，当受到连续撞击时即可实现对氧化膜清理，电弧连续破坏母材表面上电弧覆盖区域的氧化膜，实现对氧化膜的清理。

c、由于焊接部位连接件距离较小，相对别的焊接方法，钨极氩弧焊比较容易开展。

d、钨极氩弧焊可以采取不填丝的焊接方法，提高焊缝金属液态流动性，能搞提高焊缝金属强度。

三、焊接工艺评定及分析

3.１ 试件的制备

试件完全按照图纸制作，取消浮动管板，方便后期进行试验检测，具体形式和尺寸见图1，16MnR管板开孔为16.5，紫铜管直径偏差为Φ16.3mm。管板上开孔两边使用锥形磨面打磨出深度为1~2mm的坡口，整体要求符合GB151-1999的有关规定。

3.２ 工艺试验

首先根据拟定的焊接工艺进行试焊，通过焊接过程和结果再确定合理的焊接工艺，确定工艺参数需要注意以下几点：

a、焊接位置

换热器垂直于地面放置，采取水平固定位置。

b、紫铜管与管板的平面差值

确定平面差值，需要考虑两点，首先是熔化后焊缝中的金属比例，其次是便于紫铜管与外部连接。经过单管焊接试验，发现在3mm合适。

c、焊接角度和位置

首先考虑到控制焊缝中含铁量的要求，其次相对于铁，铜的导热系数要大，散热要快，熔池会有偏移。所以焊接时角度偏向管侧，手法抬高，减小摆动幅度，减小预热时间，在保证管侧和管板坡口熔合后，立即向前移动电弧，减小熔池体积，降低热量。

d、焊接电流

焊接时考虑到紫铜管导热系数高，所以适当加大焊接电流和保护气流量。

e、焊接速度

焊接开始时，为了确保开始熔合情况良好，需要正常的焊接速度，在保证初期紫铜管端的熔合性后，加快焊接速度，有利于减少熔池体积，降低过热。

采取修改后的工艺参数进行焊接，焊接应进行了着色检查和理化试验分析。

3.3 压力试验及焊缝整体抗拉试验

试件焊接完成后，先进行压力试验和焊缝整体抗拉试验。

a、水压试验

考虑到换热器工作环境实际情况，试件水压试验装置设计如图2所示，压力值为5MPa，按照GB151-1999规定的试验参数进行试验，保证0.5h无泄漏为合格。

b、焊缝整体抗拉试验

压力试验结束后，拆下试验装置，将试件支撑在试验机器支架上，在换热管内部安装试验用芯棒，当机器机头下沉时，芯棒对紫铜管底部施加向下的拉力，实现抗拉试验的目的。试验完成后，经检查，紫铜管出现明显的拉伸变形，而焊缝未出现裂纹，符合标准要求。

3.4 着色检查和理化试验分析

焊接后对试件全部铜管焊缝进行检查，按照GB151-1999的规定，分别进行了表面检测和焊缝理化试验检查。表面检测采取着色检查，接头表面无裂纹及气孔。理化试验中，将试件沿着铜管中心切开，磨平后做微观检查，断面上未见未熔合、气孔、裂纹的存在。说明这次的工艺参数是有效的。

四、产品焊接

4.１ 焊接前的预处理

装配前用丙酮清洗管孔壁及换热管的两端，以去除油污及锈迹。装配时，保证管子的伸出长度为２-３mm 并清除管端毛刺，用TIG自熔焊进行点焊。

4.２ 焊接工艺要点

①焊前用钢丝刷对管板正面进行清理，然后以丙酮清洗管-板接头缝隙及附近区域；②管束水平旋转，将每个管头焊缝分为２个半圈进行焊接；③按照工艺试验确定的电弧位置和焊接速度进行焊接；④将管板分成若干个扇形区域，按照由中心向边缘的顺序焊接各个管头焊缝，相邻２个扇形区域应间接施焊，这样可减少管板焊接变形，亦可防止渗透裂纹的产生。焊接工艺参数见表3所列。

表3焊接工艺参数

4.３ 产品的检验试验．

①外观检查要求焊缝成形美观，无气孔裂纹等缺陷，尺寸误差符合规范要求；②焊后对管一板焊缝进行着色检查，要求无裂纹、气孔等缺陷；③按照设计技术要求对壳程和管程分别进行2.00MPa和1.25MPa的水压试验，试验合格。

五、 结论

（１）采用管端自熔的TIG焊，将铜管伸出长度控制在2-3mm即可将焊缝中Ｆe含量控制在 10％－43％之间，可有效地抑制焊缝中热裂纹的产生。

（２）控制熔池体积，防止管板过热，是防止管板近缝区产生渗透裂纹的关键措施。