空调制冷铜管搭接钎焊工艺

2013-04-12徐庆海嘉科建筑工程设计咨询上海有限公司

化工管理 2013年10期

徐庆海（嘉科建筑工程设计咨询（上海）有限公司）

一、前言

钎焊是一类将高于450℃液化温度和低于母材凝固温度的填充金属通过加热到钎焊温度而产生材料聚合的焊接方法。填充金属通过毛细作用分布在紧密贴合的接头接触表面之间⑴。制冷系统是空调系统的重要组成部分，而制冷剂连接管焊接的好坏将直接影响到制冷系统的性能。制冷系统是一个特殊的系统，对系统的清洁度要求极高，只有采取正确的焊接工艺才能保证系统内不会产生脏堵现象，才能保证设备正常运行。

某化工厂中央控制室制冷空调系统，室内压缩机组和室外冷凝器之间用 φ 54×2mm的紫铜管 [牌号：TP2，标准 GB/T 17791-2007]连接，共有88个焊口，施工单位在没有铜管焊接工艺评定和焊接工艺规程的情况下开始施工，焊接的前两道焊口存在角焊缝成型较差、气孔、过烧、表面氧化等焊接质量缺陷。通过对紫铜焊接特点分析，按照NB/T 47014-2011的要求进行焊接工艺评定，有效的解决了紫铜制冷管道的搭接钎焊问题，最终该空调制冷系统气压试验一次成功。

二、紫铜的焊接特点分析

紫铜的焊接，因为其物理、化学性能与钢有很大的差别，使得紫铜焊接比低碳钢焊接困难的多，主要表现在以下几个方面：

2.1、高导热率的影响⑵

尽管铜的熔点（紫铜1080℃）比钢低，但铜的导热率比碳钢大7～11倍，当采用的焊接工艺与焊接同厚度的碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好的熔合。容易形成未熔合、未焊透等焊接缺陷，所以紫铜焊接时，应采用热量集中的焊接方法，同时焊接前也应选择合适的预热温度⑵。

2.2、焊接接头的热裂倾向大⑵

为了保证焊缝焊透，在紫铜焊接时，一般都需要较高的预热温度和采用较大的线能量，不仅使焊接应力增大，还容易使接头生成较大的柱状晶；焊接时，熔池内的铜与其中的杂质铅、铋等形成低熔点共晶物，使铜及铜合金具有明显的热脆性，产生热裂纹。为了防止热裂纹的产生，应注意以下两点：A）严格控制母材与焊材中的氧、铅、铋、硫等杂质含量；B）采用热量集中的焊接方法，选择合理的装配、焊接顺序，尽量降低接头的刚性。

2.3、气孔缺陷⑵

铜管焊接产生气孔的缺陷比碳钢严重得多，主要是氢气孔。其产生原因主要与氢的溶解度下降及氢与氧的反应有关。为了防止气孔产生可采取以下措施：A）严格控制氢、氧来源，在焊接前仔细清除焊件和焊丝表面的吸附水分和氧化物；B）向焊缝中加入一定量的脱氧元素，如硅、锰、铝、钛等，加强熔池的脱氧过程；C）采用预热等使熔池缓冷，以降低熔池冷却速度，创造有利于气体析出的条件。

2.4、焊接接头性能的变化⑵

铜管接头晶粒粗化、塑性下降、耐蚀性下降等。通常改善接头力学性能的措施有：A）加强焊前清理和熔池保护，以控制和减少氧的来源；B）加入适当的合金元素，对焊缝进行合金化合变质处理，以细化晶粒和保证接头的力学性能；C）在制定焊接工艺时合理选择焊接方法和工艺参数，防止接头晶粒粗化。

2.5、表面氧化

纯铜表面可形成氧化铜和氧化亚铜，其易被还原性气体还原，也容易被钎剂去除。因此焊接铜管时内部必须充氮保护。

通过以上分析，结合工程实际，决定采用氧-乙炔中性焰气焊工艺来焊接空调制冷剂搭接铜管，采取焊前预热措施，焊接时铜管内部充氮保护，并采用助熔剂301。

三、焊接工艺及要求

3.1、焊工资格

1）操作者必须熟练掌握焊具的使用方法和操作技术，持有焊工证。

2）必须经过专门的学习培训，并取得有关部门颁发的“资格证”方可从事手工焊接作业。

3.2、钎料的选用

紫铜+紫铜：钎料为 BCu-93P（GB/T 6418-2008），控制杂质含量≤0.05%。

气体助焊剂301：可防止铜管表面氧化及有钎作用。焊接时呈液态熔渣覆盖于金属表面，能有效的熔解氧化铜、氧化亚铜。

钎焊温度：820-860℃（铜管为浅红色）

3.3、使用气体种类

1）加热用：氧气+乙炔气 (或液化石油气)

2）氮气（N2）：为防止铜管内部氧化，对管内充入氮气。

3.4、焊接前准备

检查焊炬的连接处和各气阀的严密性，漏气的必须进行修理，并检查焊嘴有无堵塞现象。操作者准备所需的工夹具、钎料、钎剂等。铜管的焊接部位应无毛刺、无明显变形、内外表面干净、无锈垢、无油脂等。铜管必须去除两端面毛刺，然后用压缩空气（压力P=0.6MPa）对铜管进行吹扫，吹干净铜屑。焊炬的选择：H01-02。焊嘴的选择：单孔嘴型3号，梅花嘴型4号，使用通用焊炬进行钎焊时，最好使用多孔喷嘴，即梅花嘴。

3.5、焊接步骤

3.5.1 装配铜管

制冷系统所采用的均为套接方式，不得采用其它接头方式。铜管应正直插入规定深度，两装配件的中心线重合，焊接时应定位。为了保证装配尺寸正确，不能用手定位，防止加热时铜管移动。钎焊接头的安装须保证合适均匀的钎缝间隙，针对所使用的铜磷钎料，要求钎缝间隙（单边）在0.05mm～0.10mm之间。其套接长度不应小于10mm。接头安装完毕后，应检验钎焊接头是否变形、破损及套接长度是否合适，如图所示不良接头应力求避免，若出现不良接头应拆除重新安装后方可焊接。

3.5.2 充氮保护

充氮时快速接头和充气枪应合上压紧开关，使氮气全部充入管内。充氮要保证氮气达到各焊接接头处，有效地排出空气。连续充氮时一定要有出气口，否则在焊接时气体从接头间隙处逸出，使焊接填料困难，并易产生气孔。见下图：

3.5.3 加热与焊接

钎焊为火焰硬钎焊，必须遵守有关安全操作规定。加热前确认铜管内有氮气流过。

钎焊紫铜时，使用中性焰或轻微还原焰，一般采用外焰。铜管接头处加热应均匀，并注意根据管的材料尺寸分配热量。一般先预热插入管，使管配合紧密，再沿接头长度方向来回摆动，使其均匀加热到接近钎焊温度，然后环绕铜管加热至钎焊温度，铜管为浅红。同时钎料亦随之环绕加入，并均匀填满接头间隙，再慢慢移开焊炬，并继续加入少量钎料形成光滑钎角。

3.5.4 焊接参数

以前的国内标准，无论是GB 50236-1998《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》，还是JB 4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》都未对铜管和钎焊的焊接工艺评定做出规定⑷。国家能源局于2012年7月1日发布的NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》正好填补了这项空白，使得铜管及钎焊的焊接工艺评定有了依据。

3.5.5 焊后处理

焊后在管内有氮气保护的条件下，可对接头处再次加热至铜管变色，约200-300℃，即进行退火处理。目视检查钎焊部位，不应有气孔、夹渣、未焊透、搭接未熔合等。在焊缝完全凝固以前，不能移动焊件或使其受到震动。

3.5.6 焊后检验

“我们的泡泡消失了，尽管我根本就没见到泡泡的样子。”机器人蓝蓝背靠橙橙，紧紧抱着瑟缩在怀里的小水兽紫丁儿，咕哝道，“不过能赶上‘流星雨降落’，此情此景，我忍不住想吟诗一首。啊！壶天晓，我们是彼岸花吗？花叶永不能相见？”

对钎焊的质量要求如下：焊缝接头表面光亮，填角均匀，光滑圆弧过度。接头无过烧、表面严重氧化、焊缝粗糙、焊蚀等缺陷。焊缝无气孔、夹渣、裂纹、焊瘤、管口堵塞等现象。部件焊接成整机后，进行气密试验时，焊缝处不准有泄漏。

3.5.7 补焊的技术要求

补焊是针对钎焊接头有缺陷的现象进行的一种补救措施，但不是所有有质量缺陷的接头都能采用此法。

不能采用补焊的几种接头：已经过烧的接头；接头处的铜管已经熔蚀；接头处开裂现象严重（一般大于2mm）；已经补焊过一次的接头；接头处的铜管已经严重变薄；

能采用补焊的几种接头：接头间隙部分未填满；钎料只在一面填缝，未完成圆角，钎缝表面粗糙；钎缝中有杂质（清除钎缝后重焊）；有泄漏现象（未补焊过）；焊缝有气孔；接头部位及外套管壁焊瘤太大（超过2mm），需用外焰进行加热而且方向要向焊口处拨动。

注意的事项；确认冷冻循环中是否没有高压空气、混合气体、冷媒等。如有，从接头或阀门处排出，确认循环内部没有压力；确认泄漏部位，除去周围的可燃物；彻底清洁需要钎焊的泄漏部位，如有氧化膜，可用砂纸轻轻打磨；进行氮气置换，钎焊时必须先将第一次钎焊的焊料加热到可熔化的程度，再进行钎焊；用湿布冷却钎焊部位，注意水不能溅到电气品和隔热材上；用含有热水的布将钎焊部位的焊剂清除干净，如有必要，用砂纸清除氧化膜；用干布将钣金件、配管和周围的水擦干。