異種金屬的手工鎢極氬弧焊

中原油田采油三廠（山東聊城 252429）陳秋平

1.概述

某公司開發的節能型CN－5冷熱交換器工作性能數據如下：①鋼殼體板材為08F，厚為3mm；齒片白銅管為Bfe10－1－1，φ25mm×2mm；齒片純銅管為TUP，φ25mm×2mm。②齒片白銅和純銅管與08F鋼殼體沖孔翻邊搭接焊。③工作介質為液體制冷劑；設計壓力3.6MPa、工作壓力2.8MPa；設計溫度－40～50℃、工作溫度－20～30℃。

在CN－5冷熱交換器焊接制造中，08F鋼與Bfe10－1－1（鐵白銅）交換器在采用手工鎢極氬弧焊后，出現焊縫金屬熱裂紋，靠近鋼殼體近縫區因稀釋而產生的低熔共晶引起的裂紋，以及內部與外部靠近白銅管焊接近縫區出現因高溫引起的滲透裂紋現象，具體出現部位如附圖所示。

這種產品源于美國所開發的節能設備核心部件，起初此公司均是采用進口，但因其進口價格過于昂貴，最后決定自行仿造開發此核心部件產品。首先對進口的此種部件中三件有滲漏現象的部件進行了破壞性解剖。起初具體負責開發技術人員的精力主要集中在解決殼體摸具制作和兩種齒片銅管的纏繞、壓縮等難題上，而在承壓焊縫焊接上并沒有作過多的考慮，只是采用氣焊進行了火焰熔化焊接。但在水壓試驗時，焊縫及焊縫熱影響區均滲漏不止，當時負責此項產品技術開發的工程技術人員經過分析，起初疑似焊接操作技術和焊接材料等問題，為此又聘請了多個廠家的高級氣焊技師，并更換了相應的多種焊接材料，經過反復焊接試驗，焊接問題依然沒有得到有效的解決。如果焊接難題不能攻克，此項節能型交換器產品就會因其進口部件價格太高而讓用戶無法接受。

解決上述焊接難題是節能型CN－5冷熱交換器產品研制成功的關鍵。當看到被解剖的進口產品時，筆者發現美國所采用的是專用填料電阻固溶焊，并根據多年積累的焊接理論知識和實際焊接經驗，否定了該單位所采用的氣焊方法，因為從最基本的焊接技術理論而言，對異種金屬熔焊（A＋B＋C）相溶性的分析，采用氣焊這種焊接方法是不可能獲得滿意的焊接接頭的。因此建議采用手工鎢極氬弧焊或熔化極惰性氣體保護焊方法。

2.焊接工藝措施

異種金屬熔焊時，由于焊縫金屬與母材金屬在成分、組織及性能上的明顯差別，會引起一系列在同種金屬熔焊時所不存在的問題，這在選擇焊接方法、焊接材料以及確定組焊工序和焊接工藝規范時都需加以考慮。為了使母材和焊接材料必須都熔化并共同組成焊縫金屬，因此要嚴格控制焊縫金屬的成分，根據母材和焊接材料的熔點、比電阻、熱導率及比熱容等物理性能確定所需熱源的種類和強度，以及適宜的焊接位置等工藝措施，確保必要的熔合比。具體的焊接參數如附表所示。

組焊前用砂布將殼體和銅管焊縫周圍擦亮，達到去除表面氧化物等目的；施焊前再用丙酮將被焊焊縫清洗干凈，去除表面油、銹、水等有害雜質。

采用上述工藝措施后，經水壓試驗并穩壓30min達到了滿意的焊接接頭效果。但當進入批量生產焊接時又暴露出了焊接合格率問題，其中有10%左右產品焊后殼體內部靠近銅管熱影響近縫區出現滲透裂紋現象，而這種焊接缺陷有些是出現在殼體內部，因此幾乎無法修復。如果不解決這10%左右的滲透裂紋現象，將會增大成本。

焊接參數

經過認真分析和反復進行焊接性試驗，找出了以下幾種原因：

（1）焊接工藝與技術操作的影響 每一種焊接方法都有自身工藝特點，例如熱源集中程度、焊接速度、對焊接區的保護程度等，都會對被焊金屬產生不同的影響。尤其是在這種異種金屬焊接中，如果不能從技術理論上很好地了解手工鎢極氬弧焊方法的性質、規范及熟練地掌握操作要點等，就容易在焊接過程中因母材的過多熔入而產生稀釋現象，尤其是在這種異種高、低合金金屬焊接時，稀釋現象更為嚴重。選擇合理焊接順序、焊接電流參數是避免產生焊后缺陷的重要因素之一。當遇到焊縫間隙較大時，應先在靠近鋼的一側補焊過渡層，以防止因稀釋而引起焊縫金屬化學成分含量降低以及碳、硫等對白銅一側的不良影響。另外，鋼與白銅之間的線膨脹系數差異相近，焊接時應盡量采用稍小焊接電流快速焊，嚴格控制其焊接熱輸入過大，這是因為白銅管化學成分較為復雜，當焊接熱輸入過大時，易在靠白銅管近縫區產生熱裂紋和滲透裂紋。另外由于焊道之間相隔較近（15mm），因此焊接時嚴格控制各焊道的溫度≤60℃。

（2）焊接材料的選擇 眾所周知，針對異種金屬的熔焊往往是三種金屬材料的相熔（A＋B＋C），也就是說在選擇焊絲時，要綜合兩種母材通過添加焊絲熔焊后三者應有良好的互熔性。手工鎢極氬弧焊（TIG），在具體設計或選用什么牌號的焊材金屬時，卻忽略這一點，只是一味地相信當時從美國進口的“蒙乃爾”高鎳合金焊絲，因為從美國進口的此種CN—5交換器產品所選用的電阻固溶焊是采用的這種“蒙乃爾”高鎳合金填料焊絲。而這種焊絲并不適應手工鎢極氬弧焊對異種金屬的焊接，因為這兩種焊接方法有著本質上的區別，“蒙乃爾”高鎳合金作為填料焊絲應用在專用電阻固溶焊是理想的，而應用在手工鎢極氬弧焊上其可靠性不能確定，這是因為手工鎢極氬弧焊熱源集中程度較高，與電阻固溶焊相比焊縫所接收的焊接熱輸入大且熔深大，而“蒙乃爾”高鎳合金焊絲對焊縫的潤濕和成形有利，但鎳與鋼中碳和硫以及其他低熔點合金在熔焊時易產生對焊縫的不良作用。為此，選用了國產的QSi3－1，φ2mm（硅青銅）焊絲，后經實際應用證明焊接效果良好。

（3）避免預制及組裝結構應力的影響 因為鋼殼體和齒片白銅合金管在沖壓、盤繞、壓縮及組裝后，強制在結構中的應力對焊縫也會產生不利的影響，特別是在各銅管間距尺寸校正時，極易在白銅管焊縫熱影響近縫區產生裂紋。因此，對各銅管間距尺寸的校正應在鋼殼體焊成后再進行，這是因為通過鋼殼體焊接所產生的熱量能消除一部分因預制、沖壓、盤繞、壓縮及組裝時所強制產生的內在應力，這時再進行鋼殼體與白合金銅管的焊接就能避免應力對焊接所產生的不利影響。

（4）防止再熱裂紋的產生 當進行外管碰頭焊接時，白銅合金管與殼體焊縫離外管碰頭焊接處僅為80mm，起初沒有采取任何措施，再進行外管碰頭焊接時（采用氣焊），致使白銅管與殼體焊縫熱影響區靠白銅管一側產生再熱裂紋。為此，后來再進行外管碰頭焊接時，采用棉紗沾水先將白銅管與殼體焊縫區包裹起來，避免了因外管碰頭焊接對白銅合金管與殼體焊縫再次熱影響而產生再熱裂紋。

綜上所述，從以下三個環節能驗證當時分析和判斷的結果：

第一，對組焊工序及焊接工藝進行了相應的調整和細化，具體補充措施是：用壓縮空氣接入被焊白銅合金管，起到了在靠白銅管焊縫一側由內向外強制冷卻作用，從而有效控制了靠白銅管近縫區及焊縫熱影響區溫度過高而引起的合金燒損，避免了熱裂紋和滲透裂紋現象。另外由于焊道之間相隔較近（15mm），因此焊接時嚴格控制各焊道的溫度≤60℃，焊后焊縫金屬表面應呈青銅顏色。

第二，通過反復進行實際焊后水壓試驗和實際安裝生產的應用，最后經多批次1100套生產焊接達到了100%的合格率。而從美國進口的CN－5型冷熱交換器電阻壓焊合格率也不過是97%而已，在進口的一些不合格CN－5型冷熱交換器補焊痕跡來看，大致判斷是采用的手工鎢極氬弧焊或是高頻脈沖熔化極混合氣體保護焊方法進行補焊的，但后來經使用驗證其補焊的效果并不理想。

第三，開發此項節能設備公司是和澳大利亞合作的，CN－5型冷熱交換器此部件是通過澳方轉手進口的，當澳方得知該部件在公司能夠生產后，提出要從幾百件產品中任意提取三件帶回澳大利亞進行嚴格的性能檢測，結果各項技術檢測都達到了合格要求，后來澳方主管技術人員同意CN－5型冷熱交換器此部件在中國進行生產。

3.結語

綜上所述，針對某些特殊產品焊接時，在沒有專用設備情況下，只要能切實制定出較為完善和詳細的焊接工藝，并充分利用和發揮較高超的焊接技術操作水準，就能彌補某些特殊焊接產品因沒有專用焊接設備的不足，從而大大降低焊接生產成本。