Ｈ６２黃銅及普通低碳鋼材料氣焊工藝開發

金立果　楊俊明

摘要：本文針對工業生產中最常見的H62黃銅的特性、焊接技術及工藝措施、工藝裝備結構等進行焊接可行性和焊接工藝的研究，對采用的焊接材料、工藝方案等進行討論，對焊接難點進行突破和改進，為國內工程提供合格的焊接工藝評定、減少工程開支，另一方面也為工程施工做好必要的技術儲備。

關鍵詞：氣焊；焊接工藝；難點；重要突破

1 項目概況

銅具有優良的導電和導熱性能，因而在很多領域都得到了廣泛的應用。為了節約有色金屬銅，降低成本，常常在結構件、連接件和使用件的需要部位采用銅，而其他部位則采用成本低廉的低碳鋼材料。這種結構多數采用的是非焊接方式（比如脹接、法蘭連接）或軟釬焊（使用焊錫或其他釬料進行低強度的連接，未能達到原子結合的焊接方式），相對整體結構的強度的穩固性來說比焊接顯得有所不足，這使得在一些承受載荷，需要牢固連接的部位，不得不以純銅進行設計和制作整個系統。

2 項目計劃情況

第一階段，項目調研及可行性分析；第二階段，材料的可焊性試驗；第三階段，焊接工藝評定制作；第四階段，效益分析；第五階段，項目總結

3 項目計劃執行情況

3.1 第一階段，項目調研和可行性分析

3.1.1 項目調研

a. 根據工程施工的要求，我們需要做角焊縫的焊接工藝評定，因此在編制焊接工藝時，主要考慮的是焊縫和兩種金屬母材的結合情況，要做到焊縫和母材在金相上的完全融合。

b. 查找可借鑒的文獻和資料，發現黃銅和低碳鋼的異種鋼接頭氣焊基本是空白，需要我們自行摸索其焊接工藝；

c. 根據黃銅和低碳鋼的物理特點制定出一套科學合理的氣焊工藝；

3.1.2 可行性分析：

a.不利因素如下：

銅及銅合金具有良好的導熱性，常溫下熱導率是鐵的七倍多，1000℃時是鐵的11倍，所以，焊接銅和銅合金與低碳鋼接頭時，銅工件很容易整體同時變熱，加熱到局部熔化狀態就比較困難，如果選擇的焊接參數和工藝手段出現問題，就很容易出現母材不熔或填充金屬和母材結合不好的情況。

對于使用最廣泛的手工電弧焊來說，銅電阻率極小,和電焊機的地線及把線的電阻率基本一樣，因此焊接電弧漂移不定，造成焊接外觀質量差，而且銅的導熱極快，熔池凝固過程太快，手工焊產生的焊渣、氣體難以在熔池凝固之前浮出，形成缺陷。

因此，在銅的焊接工藝中，主要采用“能量集中”“少渣”“吹力小”的熱源進行焊接，比如鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝。

但即使采用了“能量集中”“少渣”“吹力小”的熱源，由于銅和鐵的巨大物理性能差異，仍然給銅和鐵的異種鋼接頭帶來了焊接應用的困難，所以我們很少在工業場合見到銅和低碳鋼的異種鋼焊接接頭。

而氧-乙炔氣焊，由于輸入的熱量不夠集中，所以常被先入為主的認為不適合進行銅和銅合金的焊接，在工業上使用較少，在銅和低碳鋼的異種鋼接頭上應用的就更少。

這是使用氧-乙炔氣焊進行黃銅和低碳鋼異種鋼接頭焊接的不利因素

b.有利因素如下：

氧-乙炔氣焊有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝所沒有的優勢，比如：

應用廣泛，設備現成，操作人員現成。鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等工藝由于需要專門的設備，不適合現場移動作業，在野外施工現場或施工工地上應用不夠廣泛，但氧-乙炔氣焊設備幾乎是每個存在鋼結構的施工工地所必備的設備。

人員培訓容易。在找到合適的焊接工藝后，氣焊工可以按工藝進行操作，僅需要進行具體參數和操作手法的訓練即可。而鎢極氣體保護焊（氬氣）、熔化極氣體保護焊（氬氣） 、電子束焊由于現場使用量少，需要重新培訓其對應工種。

成本較低。使用的是現場隨處可見的設備（氧氣和乙炔瓶、少量專用焊劑、氣焊槍、砂紙、水玻璃或純凈的溫水），氧氣和乙炔的價格相比氣體保護焊使用的氬氣的價格要低廉很多。

3.2 第二階段，材料的可焊性試驗

按照制定的氣焊工藝有計劃焊接了30個管板試件。尋找合理的焊材搭配，對這些角焊縫進行外觀檢測和內部的宏觀金相檢驗，來驗證該角焊縫的金屬結合程度及焊縫斷面、最終確定的焊接工藝隨焊接焊件表面的質量檢驗結果表明焊縫金屬和母材結合的很好，完全符合JB4708-2000的標準要求，這可以證明銅-鐵之間通過氣焊工藝焊接是可行的。

3.3 第三階段，焊接工藝評定制作和應用

根據焊接試驗結果,對焊接工藝參數、組對尺寸等相關數據進行分析、整理和總結，同時焊接質量滿足相關施工驗收規范的要求。

焊接工藝評定材料和規格為∮60×5、20#和δ=5、H62,焊接位置2FG，執行標準為GB 50236-98（現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范）。

4 效益分析

為工程建設等行業做好了技術儲備。節約了工程中貴價金屬銅的使用，產生經濟效益。用氣焊代替普通焊接，從而產生安全、環保方面的附加經濟和社會效益。用氣焊代替氬弧焊和電子束焊，具有設備上的便捷性、易操作性和廣泛性，節省設備的使用和拉運經費。

5 創新點、難點或重要突破

5.1 火焰的選擇和預熱溫度的選擇

純銅焊接通常采取中性火焰，但由于異種鋼接頭的物理特性差異，要保證焊絲和母材的融合，需要把破口兩側都預熱到500℃左右，使熔池冷卻速度減慢，便于析出氣體，為了保證熱量的集中，需要用熱量相對集中的氧化焰，但同時為了保護黃銅中的鋅元素不被過多氧化，決定使用極輕微的氧化焰。

該難點的解決方法是采用輕微氧化焰，試驗后可行。

5.2 常見缺陷的防止

黃銅焊接容易出現的缺陷主要是熱裂紋和氣孔，熱裂紋的產生原因是合金元素偏析和氧化膜的夾雜，所以焊縫不應該在900℃以上的高溫區停留太久，容易產生大量氧化物和氣孔，也不宜凝固太快，這樣容易把夾雜和氣孔凝固在焊縫里，因此需要把焊縫周圍預熱500℃左右以保證熔池不太快凝固，但焊接速度要快，焊接熱量要集中，使合金元素不要燒損過多，影響焊縫的性能。

該難點的解決方法是將焊縫區預熱到合理的溫度，并配合恰當的焊接速度

5.3 保證焊縫金屬的流動性

由于銅上常常有氧化膜，銅內部有時也有銅氧化膜，合金元素鋅也容易蒸發，所以需要使用合適的焊劑加強熔池的流動性，并形成薄膜阻礙鋅的蒸發。

該難點的解決方法是選擇合適的焊劑，經多次試驗后我們選擇了CJ301焊劑，要求焊接前用砂紙打磨掉銅件和焊絲上的氧化膜，然后把焊劑涂敷覆蓋在整個焊接區和焊絲上，然后再進行焊接

5.4 焊槍傾角的選擇

由于兩種母材金屬的導熱速度不同，需要把更多的熱量加到碳素鋼的一側，因此焊槍傾角與焊單一材料不同，需要把焰心更加朝向碳素鋼的一側，為了保證火焰熱量的集中，火焰要與焊縫有更小的接觸點，需要把焊槍立起來一些，與母材的夾角為75°~85°。

采取以上措施，我們成功的完成了黃銅和低碳鋼的焊接工藝，突破了黃銅不適合氣焊，黃銅和低碳鋼難以焊接的思維習慣。

6 項目總結

該工藝是可行的，但由于銅-鐵之間物理性能差異大，有許多和平時焊接不一樣的工藝措施和操作要求，應在施焊前對焊工進行有針對性的培訓。

該工藝具有以下特點：a、設備簡單，容易操作，減少成本。b、施焊人員容易掌握，培訓周期減少。