梁清枝，张卓勋

（肇庆技师学院，广东肇庆，526060）

薄壁铜小管与低合金钢的Ar弧焊接

梁清枝，张卓勋

（肇庆技师学院，广东肇庆，526060）

以肇庆技师学院化机厂生产的100 m3/min后冷却器为例，针对薄壁铜小管与低合金钢之间焊接易产生裂纹、气孔和未熔合等缺陷，通过分析二者的焊接性能，探索性地采用了Ar弧焊接工艺，创新了该类产品的焊接技术和方法，且焊后检验合格。结果表明：该技术和方法可行，可保证产品焊接质量。

薄壁铜小管；低合金钢；Ar弧焊接

引言

对某些特殊容器，为了节约成本、提高经济效益，生产工程中常将化学性质和物理性质差异较大的铜和低合金钢等异种金属材料组合使用，实施复合焊接。由于铜、钢在材料特性上存在显著差异，焊接冶金过程也不相同，所以在焊接中会导致其产生气孔、未熔合、裂纹、焊口渗漏等缺陷。另外，厚薄不一致，也如低合金管板材料较厚，但是铜管壁厚较薄[1-5]，增加了焊接难度。

本文基于实践经验，围绕上述问题，分析了薄壁铜小管与低合金钢厚板的Ar弧焊接工艺流程，提出了实施技术和方法，供业界参考。

1 研究对象与材料性质

肇庆技师学院（以下简称我校）化机厂生产的后冷却器主要由筒体、封头、薄壁铜小管组、管板等组成，作用是：降低空气压缩机排出的压缩空气的温度，析出大量油和水，该装置是压缩空气站的必配设备。每台产品管子和管排数根据容器立方而定，容积越大，组合焊口越多，有十几条至几百条不等。

1.1 研究对象

图1是容积为100 m3/min的后冷却器芯结构。其设计压力为1.05 MPa，温度为140℃。管子材质为T2，管子规格为Φ 16 mm×1.5 mm，与之连接的管板为16MnR板，厚44 mm；管排之间的距离也仅有约16 mm。铜管壁薄，又是与低合金钢厚板焊接，属于异种金属焊接，要保证质量并非易事。

图1 后冷却器芯

1.2 铜与钢的化学性质和物理性质比较

铜与钢的化学成分分别如表1和表2所示。由于钢中铁占95%以上，故比较铜与铁的物理性质如表3所示，化学性质如表4所示。

表1 铜的化学成分

表2 钢的化学成分

表3 铜与铁的物理性质

表4 铜与铁的化学性质

2 处理技术与方法

刚开始时，采用高出管板面部分的管子自熔（不加焊丝），以及Ar弧方法进行焊接。试压时焊口出现渗漏现象，经补焊后质量也不理想，主要缺陷是裂纹、气孔、未熔合等现象，渗漏几乎1/3所占比，直接影响产品质量和交货期。针对上述情况，对缺陷从材质、坡口清理、对口、焊接工艺和操作手法等方面进行了分析和比较，查找原因，采取了相应措施，保证了焊接质量。

2.1 分析焊接技术

从表1～表4中看出，铜与钢之间的导热系数、膨胀系数、收缩率、比热、熔点等差异较大，给焊接造成了一定的困难。特别是铜的导热系数在20℃时比钢大7倍之多，在1 000℃时比钢大11倍之多。同时，铜的线胀系数也比较大，比铁大约高15%，而铜的收缩率比钢也大1倍以上。这对保证铜与钢的异种金属焊接质量是非常不利的，必然造成以下问题：

（1）由于两种金属的熔点相差大，当紫铜达到熔化状态时，碳钢仍呈固体状态，因此已熔化的金属容易渗入过热区的晶界，使过热区的组织性能降低。在16MnR钢熔化时，势必造成紫铜的流失、合金元素的烧损和蒸发，焊接接头难以熔合。

（2）由于线胀系数差异大，线胀系数大的金属热胀率大，冷却时收缩率也大，反之亦然，因此紫铜与低碳钢焊接时，熔池金属结晶后，会产生很大的热应力，焊缝两侧金属承受的应力状态也不同，容易使焊缝及影响区产生裂纹。

（3）由于铜的导热性好，焊接熔池凝固速度快，液态熔池中气体上浮的时间短，来不及逸出，易造成气孔。

（4）由于铜和钢的膨胀系数相差很多，而且铜铁二元合金的结晶温度区间很大（约为300~400℃），故在焊接时容易发生焊缝热裂纹。

（5）从化学性质来看，铜不是活泼金属元素，具有很强的化学稳定性。其抗氧化性能强，在室温下氧化速度非常慢，但是随着温度的升高，尤其是超过300℃时，其氧化能力迅速增大，当温度接近熔点时，其氧化能力最强。氧化的结果是生成氧化亚铜（Cu2O）。焊缝金属结晶时，氧化亚铜和铜形成低熔点（1 064℃）的（Cu＋Cu2O）共晶，分布在铜的晶界上，大大降低了焊接头的机械性能，导致产生热裂纹。

（6）由于钢与铜中含有一定量的杂质，如氧、硫、磷等，在焊接过程中，这些杂质元素易形成各种低碳熔点的共晶体和脆性化合物而存在于焊缝晶界处，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力，使焊缝易产生热裂纹。

此外，焊缝中的铁元素对热裂纹的影响也比较大。查阅有关试验资料，当铁含量在10~43%时，焊缝获得α+ε（铁素体+Cu）双相组织，此时焊缝具有最好的抗裂性能。因此，控制焊缝的熔合比也是相当重要的环节。

针对上述不利因素，虽然紫铜与低碳钢的物理性质相差较大，但它们的晶格类型、晶格常数、原子半径、原子外层电子数目等都比较接近，这对它们之间形成金属是有利的，并且紫铜与低碳钢在液态时能无限互熔，而固态时也能有限互熔形成α+ε混合物，不存在不熔合的间层，因此焊接时要想获得满意的焊接接头，必须从焊接方法、焊接材料和焊接工艺、操作技巧等几方面加以解决。

2.2 选择焊接方法

对于铜和低合金钢异种金属的焊接方法，我校化机厂现有条件一般只有：气焊、手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等。

（1）气焊：通常气焊用于焊接厚度≤6 mm的焊件。紫铜焊接时选择的焊接材料的重要作用之一就是脱氧。第一，要选择脱氧剂，平时用的最多是硼砂（Na2B4O7），它们在焊接过程中与CuO发生反应而脱氧。第二，由于紫铜导热性高，气焊时必须选择大火焰功率，一旦控制不好就会产生大变形。

（2）手工电弧焊：手工电弧焊设备简单，操作灵活，比气焊生产率高。但质量不稳定，要求短弧焊接，若控制不好，氧、氢等气体容易侵入熔池，焊缝中容易产生缺陷，焊接时劳动条件差。工件厚度≤4 mm时，可不开坡口也不用预热，但当工件≥5~10 mm时，需要开坡口，焊接时要预热250~300℃，更大厚度时需预热温度更高。但对于一薄一厚的异种金属，也是难以控制。

（3）埋弧焊：主要优点是焊接时允许采用较大的焊接电流，以及由于电弧在焊剂层下燃烧，熔渣的隔热作用使电弧的热量辐射损失较小。因此，通常不需要预热，且埋弧焊时，熔池保护良好，接头质量较高，劳动条件好，但适合于中、厚板及长焊缝的焊接。

（4）手工钨极氩弧焊：氩气对焊缝金属熔池的保护作用好，空气中的氧和氢不易进入熔池，并且氩弧焊的温度高，热量集中，容易焊透，焊缝的热影区小，熔池体积易于控制，焊缝强度高，接头质量好，不用预热，焊件变形小，效率高，焊缝美观。另外，钨极氩弧焊时，焊缝和近缝区均不易过热，这对防止热裂纹都是有利的。

为了合理控制焊接热循环，改善焊接应力状态，以及消除氧化物、硫化物及低熔点共晶体的有害作用，得到高质量的焊接接头：第一，考虑后冷却器铜小管的密排间距较小，以及铜小管管壁较薄与之配合的管板厚度较厚，两者厚度相差较大；第二，为了焊接过程便于控制焊缝的熔合比，保证Fe元素在焊缝中的含量在10~43%之间。综合考虑，首选了手工钨极氩弧焊。

3 工作准备与焊接

3.1 焊丝选择

选择焊接材料正确与否，对控制焊缝的化学成分、限制有害杂质非常重要。由上述分析知，由于紫铜的含氧量对其焊接性能有很大影响，因此填充焊丝必须具有良好脱氧能力及焊缝成形能力。通过试焊，选用了HS201，焊丝直径Φ1.6 mm，是含有少量的硅、锰脱氧元素的特制紫铜焊丝。加锡改善了熔融铜的流动性，具有焊接工艺性能优良、焊缝成形好、力学性能较高、抗裂性好等特点，适用于紫铜氩弧焊时作为填充材料。焊前用0#砂布将焊丝表面氧化膜、油污等清理干净，其化学成分见表5。

表5 HS201焊丝化学成分

3.2 准备流程

（1）将管板的孔两端倒角2×30°；

（2）去除薄壁铜小管端口外边缘的毛刺；

（3）装配前清理：为防止铜的氧化，用电动钢丝擦把管板表面的油、锈、污物等彻底清理，直至露出光泽，以减少氧的来源，否则会引起气孔、夹渣等缺陷，使焊缝的性能降低。把薄壁铜小管端口焊接部位约50~80 mm长，用0#砂布擦干净表面氧化层。

3.3 焊接流程

选用WSMA—300专用直流氩弧焊机，氩气（纯度≥99.9%）的保护气体，焊接层数为1层。

装配对口：采用合理的接头型式，能改善接头的工艺性能和抗裂性能，因此，为保证焊缝中Fe元素的含量处于合适的范围和确保焊缝成形美观，薄壁铜小管的管口高出管板面约1~2 mm为好，如图2所示。

图2 装配焊口

图3 管口焊接顺序

图4 焊接运条方向

图5 焊丝和工件之间的角度

（1）再检查：检查焊机电源线、水路、气路等是否正常，铈钨极钨针直径采用Φ2.5 mm；为使电弧集中，燃烧稳定，钨针端部应磨成圆锥形，其顶部稍留0.5~1 mm直径的小圆台为宜，如果顶角过小，电极容易烧损，顶角过大，电弧不稳，容易跑弧，同时还要求同心度要好。引弧前应提前5~10秒输送氩气，借以排除管中及工件被焊处的空气并由流量计调节到所需流量值。

（2）工件管口位置选择：为保证质量更好的焊缝和提高工作效率，按图1所示技术要求装配好铜小管和管板以及隔板等，校正固定装入冷却器筒体。焊前用吊车平稳立放，水平位置焊接，做好安全措施。

（3）焊接顺序：考虑铜管焊口密集的排列，为了不影响焊接操作以及减少母材在高温阶段的存在时间的焊接应力和构件的整体变形，采用分散对称、隔排焊接方法。焊接排管口顺序如图3所示，先在管板右端第一排管口开始焊接→第三排→第五排→依此类推，焊完为止；然后再焊第二排→第四排→第六排→依此类推，焊完为止。

（4）焊接参数：如表6所示。

表6 焊接参数

（5）焊接运条方向和角度：由于焊接管口小，为了便于手位更换。因此，采用逆时针方向和顺时方向运条，运条手法分二次焊完一个焊口，如图4所示。焊枪、焊丝与工件之间的角度，如图5所示，喷嘴与工件夹角为70°~80°，焊丝与焊工件夹角10°~20°，喷嘴与工件的距离10~15 mm为宜，这样既便于操作、观察熔池情况，又能使焊接区获得良好的保护。

（6）引弧：由上述分析，由于紫铜比铁的导热能力强得多，按常规焊接，电弧引燃后应偏向紫铜一侧，这样有利于对铜一侧起到预热作用，但是铜小管管壁较薄，管板较厚，实践中容易使铜管边缘焊塌，为确保两种母材受热均衡和焊缝获得α+ε双相组织，引弧时先在铜管边缘外的管板件表面引弧，引燃后再移入焊接坡口区，当铜管有足够温度熔化时，电弧中心稍偏向管板侧，使两者同时熔化。如图4所示，在时钟2~3点钟位置起弧，待电弧稳定后再移到焊接对口处，注意引弧时不能把钨极与工件接触，防止钨极粘在工件上，产生夹钨。

（7）焊接：焊接操作时，定好焊接手位，以送丝顺畅为准。由3~2点钟处起点→逆时针→9~8点钟之间处收弧，然后同样手法由2~3点钟处起点→顺时针→8~9点钟之间处收弧。起初焊接速度要适当慢些，使母材得到一定预热，以保证焊透和获得均匀的焊缝成形，然后再适当加快焊速，焊枪应均匀、平稳地向前稍作弧线移动，并保持恒定的电弧长度，送丝量应注意根据熔池熔合情况而定。在不添加丝时，弧长为1~2 mm；添加丝时，弧长为2~5 mm。视力要保持集中，当熔池未达到熔化时，焊枪移动时可作稍微停留，当母材达到一定的熔深后，再添加焊丝，向前移动。添加焊丝要配合焊枪的运行动作，在焊接坡口处尚未达到熔化温度时，焊丝处于熔池前端的氩气保护区内，当熔池加热到一定温度后从熔池边缘送入焊丝。另外，焊接时严禁“打钨极”，即严禁钨极与焊丝或钨极与熔池接触。

（8）熄弧：当一条焊缝即将焊完时，勿在焊缝处收弧，填满弧坑后，应将电弧移出管边外位置收弧，并且熄弧后不可立即提起焊枪，高温状态下的熔池仍需气体保护，一般滞后3~5 s气体保护为宜，直到钨极及熔池区域稍冷却以后，才停止送气并抬起焊枪，否则焊缝表面容易氧化产生缩孔或裂纹。

（9）焊后处理：为使工件缓慢降温，使焊缝得到良好的机械性能，焊后应用石棉铺盖，减少焊接应力，防止裂纹产生。

4 焊后检验结果

待焊件完全冷却后，用钢丝刷将焊缝表面擦干净，进行检查：

（1）外观检查：焊缝成形美观，无裂纹、无焊不透、无气孔等缺陷。

（2）水压试验：对管板焊缝进行0.7 MPa水压试验，保压2小时无渗漏现象，一次性成功。

5 结束语

实践证明：采用钨极Ar弧焊接薄壁铜小管与低合金钢异种金属，只要焊接方法、焊接材料、焊接工艺、操作技巧得当，不但工艺简单、操作方便，而且不用预热，省时、省力、节约成本，可有效地防止铜管缝隙泄漏的问题，并且保证焊接质量。产品投入以来，一直运行良好。

[1]王绍林. 焊工工艺[M]. 北京: 中国劳动出版社, 1992.

[2]黄文哲. 焊工手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991.

[3]张应立. 新编焊工手册[M]. 北京: 金盾出版社, 2004.

[4]王洪. 实用焊工手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[5]张文明. 简明焊工手册[M]. 辽宁: 科技出版社, 2010.

梁清枝，广东肇庆人，钣焊一级教师。研究方向：焊接工艺与技术教学、工程。

E-mail: 2215015142@qq.com

张卓勋，广东肇庆人，电气一级教师。研究方向：电气自动化工程技术与教学。

Ar-arc Welding of Thin Walled Copper Tube and Low Alloy Steel

LIANG Qing-Zhi, ZHANG Zhuo-xun
(Zhaoqing Technician Institute, Zhaoqing, Guangdong,526060, China)

100 m3/min post-cooler produced by chemical mechanical factory in Zhaoqing Technician Institute is taken as an example, to carry out an innovative technology and approach called Ar-arc welding, aiming to eliminate defects such as crack, porosity and incomplete fusion between thin walled copper tube and low alloy steel through analysis on their welding performance. The post-evaluation of welding is qualified, indicating a guarantee for the product welding quality.

Thin Walled Copper Tuber; Low Alloy Steel; Ar-arc Welding

TG113.26+3

A

2095-8412 (2016) 06-1213-05

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.043