CN102962543B - 紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，包括步骤：A、在紫铜构件与不锈钢构件相对的一侧加工坡口，清理坡口边缘的杂物，将紫铜构件与不锈钢构件放在同一平面进行组对，并预留间隙；B、对紫铜构件一侧进行600-680℃的焊前预热；C、按照点固顺序在紫铜构件与不锈钢构件之间的几个位置进行点固；D、采用焊条电弧焊直流反接将紫铜构件与不锈钢构件进行焊接；E、焊后对焊接接头进行加热到130180℃，然后冷却到室温，进行消氢处理，减少焊缝中氢的含量；F、待消氢处理冷却后，对不锈钢构件一侧进行840890℃稳定化处理快速冷却，以减少碳化铬的形成，提高焊缝的塑性和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接工艺，特别是涉及一种对紫铜与不锈钢异种材质进行焊接，使其获得优质焊缝，降低焊接成本的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其是通过对紫铜预热，采用焊条电弧焊，选用镍基焊条，并进行合理的预热、运条、消氢、稳定化处理等多项工艺。
背景技术
在紫铜与不锈钢异种材质的焊接过程中，由于两者的化学成分、导热系数、熔点以及各种机械性能都有着极大的差距，因此焊接难度与同类材质焊接相比要大得多。
现有的紫铜与不锈钢异种材质焊接工艺有下述两种：
1、氧--乙炔焰钎焊
紫铜与不锈钢异种材质采用氧--乙炔焰钎焊进行焊接时，选用黄铜做钎料，黄铜的熔点和紫铜的熔点(1083℃)相同，导热系数(390W/M·K左右)比较接近，焊接时容易控制溶池温度，焊接质量也能得到保证。但是两者与不锈钢熔点(1398℃)、导热系数(30W/M·K左右)差距极大，钎焊时又由于不锈钢母材不能熔化，只需将温度控制在黄铜钎料的熔点(1083℃)，因此在同一温度下，紫铜可以满足焊接要求，而不锈钢一侧很容易超出黄铜钎料的熔点，使其不能及时凝固而流失。为了保证质量，要消耗大量的人力、时间，竭尽全力将两者温度控制在黄铜钎料的熔点(1083℃)，但是焊接成形极差，不锈钢一侧的钎焊接头强度很低，只能应用在一般或要求较低的结构部件。而且如焊接Φ57×4.5mm的一道焊口大约需要3小时左右，焊工40元/每小时，共计费用120元，长期使用会大大增加不必要的投资，焊接质量也很难保证。
2、钨极氩弧焊
采用钨极氩弧焊对紫铜与不锈钢异种材质进行焊接时，通过预热可以克服两者导热性的差距对焊接的影响，但是设备复杂，一般的维修单位和个人很少有类似的设备，所以维修时不易实现。而且填充材料通常选用银铜锌焊丝，价格昂贵(约2000元/Kg)，如果焊接Φ57×4.5mm的紫铜与不锈钢异种材质接头，大约需要0.5Kg焊丝，共计1000元，还不包含氩气费用；再者对焊接环境要求很高，只有在室内的环境中焊接，否则就会出现大量的气孔等缺陷。
为了确保焊接质量，得到较高的抗拉强度、塑性、韧性和硬度等，有效降低焊接成本和操作人员的劳动强度，便于推广使用，研究出一种紫铜与不锈钢异种材质的新型焊接工艺，对紫铜与不锈钢异种材质进行焊接。
发明内容
本发明的目的是，提供一种紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其可确保焊接质量，得到较高的抗拉强度、塑性、韧性和硬度等，有效降低焊接成本和操作人员的劳动强度，便于推广使用。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，所述焊接工艺包括下述步骤：A、在紫铜构件与不锈钢构件相对的一侧加工坡口，清理坡口边缘的杂物，将紫铜构件与不锈钢构件放在同一平面进行组对，并预留间隙；B、对紫铜构件一侧进行600-680℃的焊前预热；C、按照点固顺序在紫铜构件与不锈钢构件之间的几个位置进行点固；D、采用焊条电弧焊直流反接将紫铜构件与不锈钢构件进行焊接，将紫铜、不锈钢两种材质顺利的熔合在一起；E、焊后对焊接接头进行加热到130-180℃，然后冷却到室温，进行消氢处理，减少焊缝中氢的含量；F、待消氢处理后，对不锈钢构件一侧进行840-890℃稳定化处理快速冷却，以减少碳化铬的形成，提高焊缝的塑性和韧性。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，上述步骤B中，采用氧—乙炔中性焰对紫铜构件一侧进行焊前预热。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，上述步骤C中，在紫铜构件与不锈钢构件之间，依次按照时钟12点，9点，3点的三个位置进行点固。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，上述步骤D中，在紫铜构件与不锈钢构件之间依次通过从时钟6点至9点至12点的焊接方向，以及从时钟6点至3点至12点的焊接方向进行焊接的。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，上述步骤D中，所述焊条为Φ2.5mm、Ni112的焊条，所述焊条在焊接前，先进行60分钟120-180℃的烘干。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，上述步骤D中，所述焊条每1秒钟左右摆动一下，使紫铜构件与不锈钢构件两边坡口熔合良好。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，在紫铜构件与不锈钢构件之间预留1.6-2.0mm的间隙，在焊接时，采用75-83A的焊接电流进行焊接。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，在上述步骤D还包括步骤：焊接收弧时反复熄弧填满弧坑后，缓慢抬起电弧，防止弧坑裂纹的产生。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，在上述步骤D中，打磨修理每一个起弧、收弧接头，以保证接头熔合良好；打底接头和盖面接头错开设置，确保接头强度；做好层间清理，防止层间缺陷。
如上所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，在上述步骤F之后，还包括如下步骤：G、对焊口进行RT检测内部缺陷；H、通过气渣联合保护宏观分析；I、通过金相组织分析，发现不锈钢构件一侧仍然是奥氏体组织，与焊缝没有太大区别，紫铜一侧热影响区是以铜为基体并与焊缝完全熔合；J、力学性能分析。
本发明实施例的焊接工艺具有有益效果如下：
1、与氧--乙炔焰钎焊相比，本实施例的两侧母材与焊缝完全熔合在一起，试验结果证明机械性能比氧--乙炔焰钎焊接头要高得多，完全满足接头的使用要求。本实施例焊接操作非常简单，缺陷形成机率大大降低，对焊工的技术要求不是很高，只要是合格的焊工在1小时之内就可以完成一道Φ57×4.5mm的紫铜与不锈钢异种材质的焊接，且质量得到有效保证。与氧--乙炔焰钎焊相比，本实施例的每一道焊口就要节约80元左右，长期使用所节约的成本是非常可观的。
2、与钨极氩弧焊相比，本实施例设备简单，使用环境很广，且不易产生缺陷，选择焊工的范围较大，操作简单方便。本实施例焊材价格低廉，焊一道Φ57×4.5mm焊口仅需要0.5Kg价格为260元/Kg的Ni112焊条，共计130元，可以节约费用870元，长期使用所节约的成本也是非常可观的。
3、焊后检测情况
经过对紫铜与不锈钢异种材质的新型焊接工艺所焊的焊口进行检测，RT检测内部没缺陷，Ⅱ合格；对气渣联合保护宏观分析没有任何缺陷；通过金相组织分析发现不锈钢一侧仍然是奥氏体组织，紫铜一侧是以铜为基体并于焊缝完全熔合。
力学性能分析：(1)拉伸试验平均抗拉强度228.0MPa，平均屈服强度108.1MPa。(2)弯曲试验经180的弯曲试验，面弯既没裂纹也没断裂，背弯面弯也是如此。(3)硬度试验焊缝的硬度值介于两母材之间，熔合区硬度值略低于母材。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺中的紫铜与不锈钢组对的情况；
图2是本发明实施例的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺中时钟标注法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
紫铜与不锈钢相比导热系数很大，紫铜约为390W/M·K，不锈钢约为30W/M·K，两者对接后在同一温度下焊接时，如果选用工艺不合理，会使得紫铜难以熔合，以及很容易产生裂纹或其它缺陷，不锈钢则很容易超温形成过烧组织，产生烧穿或其它缺陷。
如图1所示，本发明实施例提出的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其包括下述步骤：
A、在紫铜构件1与不锈钢构件2相对的一侧加工坡口3，清理坡口3边缘的杂物，将紫铜构件1与不锈钢构件2放在同一平面P进行组对，并预留间隙4。
其中，坡口3可为均匀规则，以使焊条与紫铜、不锈钢更好地熔合在一起，坡口合理可以使紫铜和不锈钢的机械性能通过焊缝进行均衡；可采用机械方法清理坡口3边缘杂物，防止杂物污染熔池形成大量的焊接缺陷；将紫铜构件1和不锈钢构件2放在同一平面，有坡口3的一侧相向而对，使内外壁平齐，是提高整个接头机械性能关键因素之一；紫铜构件1和不锈钢构件2对接时可预留1.6-2.0mm(例如1.8mm)的间隙，使电弧深入根部，保证根部不产生未熔合、未焊透及其它缺陷。
B、对紫铜构件一侧进行600-680℃(例如660℃)的焊前预热。
如图1所示，本实施例可采用氧—乙炔中性焰对紫铜构件1一侧的100mm以内的预热区5进行焊前预热，以增加紫铜构件1一侧的散热量，延长紫铜一侧的散热时间，均衡紫铜与不锈钢的导热系数。当然，也可采用电加热对大规格的紫铜构件1进行预热。
C、按照点固顺序D在紫铜构件与不锈钢构件之间的几个位置进行点固。
如图2所示，本实施例中可在紫铜构件1与不锈钢构件2之间，依次按照时钟12点，9点，3点的三个位置进行点固；也就是说，本实施例先点固时钟12点的位置，再点固时钟9点的位置，最后点固时钟3点的位置，每次点固长度可在例如13mm左右，可以有效的防止焊接变形，提高接头的精确度。
D、采用焊条电弧焊直流反接将紫铜构件与不锈钢构件进行焊接。
本实施例采用焊条电弧焊，即可以确保焊接质量，得到较高的抗拉强度、塑性、韧性和硬度等，有效降低焊接成本和操作人员的劳动强度，便于使用；直流反接可以稳定电弧，防止飞溅，提高成形系数；进一步而言，所述焊条可为Φ2.5mm的镍基(Ni112)焊条，所述焊条在焊接前，先进行60分钟120-180℃(例如160℃)的烘干，如此将紫铜、不锈钢两种材质顺利的熔合在一起，减少气孔及其它缺陷，均衡两者的机械性能，获得优质的焊接接头，使接头运行得到保证。
此外，如图2所示，本实施例中，在紫铜构件与不锈钢构件之间以焊接顺序及方向H进行焊接，具体是依次通过从时钟6点至9点至12点的焊接方向，以及从时钟6点至3点至12点的焊接方向进行焊接的；也就是说，本实施例是从时钟6点的位置起弧，采用灭弧焊接焊向时钟9点到12点的位置收弧，再从时钟6点的位置接头，灭弧焊接焊向时钟3点到12点的位置接头。
E、焊后对焊接接头进行加热到130-180℃，然后缓慢冷却到室温，进行消氢处理，减少焊缝中氢的含量，防止裂纹产生。
F、待消氢处理冷却后，对不锈钢构件2一侧进行840-890℃(例如890℃)稳定化处理快速冷却，也就是说，对不锈钢构件2一侧进行840-890℃的加热后再快速冷却，以减少碳化铬的形成，提高焊缝的塑性和韧性。
根据本发明的一个实施方式，在紫铜构件与不锈钢构件之间预留1.6-2.0mm(例如1.8mm)的间隙，在焊接时，采用Φ2.5mm的焊条以75-83A(例如80A)的焊接电流进行焊接，以保证熔深和熔宽，例如保证熔深1.5mm和熔宽两侧各0.5mm，而且焊条跟部不易发红，焊缝成形良好。
上述步骤D中，所述焊条每1秒钟左右摆动一下，即焊条以小的摆动幅度，使紫铜构件与不锈钢构件两边坡口熔合良好，焊缝与母材过渡圆滑，成型美观。
打磨修理每一个起弧、收弧接头，以保证再接头熔合良好。打底接头和盖面接头错开设置，例如打底接头和盖面接头错开10mm左右，提高接头强度，使其更加接近正式焊缝。做好层间清理，如此可以有效防止层间产生夹渣、未熔合、气孔等焊接缺陷。
根据本发明的一个实施方式，在上述步骤D还包括步骤：焊接收弧时反复熄弧填满弧坑后，缓慢抬起电弧，防止弧坑裂纹及其它缺陷的产生。
上述步骤D中，焊接过程严格控制温度，延长紫铜构件1一侧的散热时间，即在焊接时在紫铜一侧多停留一些时间，如此使得紫铜一侧不低于预热温度660℃，不锈钢一侧减小430～860℃的停留时间，也起到不断均衡紫铜与不锈钢的导热系数的作用。
根据本发明的一个实施方式，在上述步骤F之后，还可以包括如下步骤：
G、对焊口进行RT检测内部缺陷，II合格。
H、宏观分析，由于是气渣联合保护，大大减少空气的侵入，表面没有气孔及其它任何缺陷。
I、通过金相组织分析，发现不锈钢构件一侧仍然是奥氏体组织，与焊缝没有太大区别，紫铜一侧热影响区是以铜为基体并与焊缝完全熔合。
J、力学性能分析
(1)拉伸试验平均抗拉强度228.0MPa，平均屈服强度108.1MPa，而紫铜的抗拉强度209.0MPa，屈服强度33.3MPa，抗拉强度和屈服强度都高于紫铜，完全满足使用要求；
(2)弯曲试验，经180的弯曲试验，在同一侧弯曲，面弯既没裂纹也没断裂，背弯也是如此，证明焊接接头具有良好的塑性和韧性。
(3)硬度试验，焊缝的硬度值介于两母材之间，熔合区硬度值略低于母材，这一点完全符合焊接要求。
下面以具体的实施例来分析比较本实施例的焊接工艺与相关的焊接工艺：
有空气压缩机安装时共有十余道焊口是紫铜(T2)与不锈钢(TP304)的异种材质接头，工作压力为1.1MPa，工作温度为26～30℃，介质为压缩空气，为了确保焊接质量，使其安全平稳运行，根据参考资料，结合实际经验，将管口加工出均匀的坡口，按要求清洗，制做临时支撑作为对接平面，预留有1.8mm左右的间隙，选用两种焊接方法进行焊接试验。
一、以相关焊接工艺中的氧--乙炔中性焰作为热源，黄铜作为钎料，进行焊接试验。
1)点固顺序(如图2所示)，采用氧--乙炔中性焰为热源，黄铜作为钎料，对时钟12点—9点—3点这三个位置分别进行的点固，焊嘴与管线轴线夹角为90°，与管口切线夹角为80°，加热2分钟时，对坡口两侧的母材进行测温，不锈钢一侧达到了400℃左右，而紫铜一侧仅有50℃左右，加热10分钟时再次测温，紫铜一侧有450℃左右，而不锈钢一侧却超出黄铜钎料的熔点(1083℃)，在添加钎料时，紫铜一侧温度太低钎料不易渗入，而不锈钢一侧却温度过高，钎料来不及凝固而流失。
2)根据实际情况对焊接操作进行调整，使焊嘴与不锈钢管线轴线夹角为45°，火焰70％的热量集中在紫铜一侧，剩余30％的热量(热量损失忽略不计)对不锈钢进行加热。经过严格控制两者的温度可以满足黄铜钎料的焊接要求，但是该温度点的控制难度极大，尤其正式焊接顺序为时钟6点—9点—12点和时钟6点—3点—12点，焊接时间长，加热范围大，特别是时钟6点左右的仰位焊接，受钎料重力的影响，工件的温度不论高低都会流失。因此在操作过程中反复加热冷却对温度进行控制就会耗费大量的时间。经过3个小时连续作业才完成Φ57×4.5mm的一道焊口接。
3)质量检验：外观成形较差，RT检测内部存在着多种缺陷，严重不合格。
二、采用本实施例的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺进行焊接试验。
1)采用氧--乙炔中性焰对紫铜一侧进行660℃的焊前预热。
2)采用焊条电弧焊直流反接；选用Φ2.5mm的Ni112焊条进行60分钟160℃的烘干，减少气孔，获得优质的接头；以工艺参数80A的焊接电流保证熔深1.5mm和熔宽两侧各0.5mm。
3)按照点固顺序，如图2所示，依次按照时钟12点→9点→3点进行三个位置的点固，点固长度在13mm，点固焊接过程中紫铜一侧的温度不低于预热温度660℃；按照焊接顺序及方向，时钟6点→9点→12点、时钟6点→3点→12点进行焊接。
4)焊条每1秒钟左右摆动一下，使两边坡口熔合良好，保证焊缝成形；规范的收弧填满弧坑防止弧坑裂纹及其它缺陷的产生。
5)对每一个接头进行打磨修理保证接头熔合良好；焊接过程严格控制温度，延长紫铜一侧的散热时间。
6)打底接头和盖面接头错开，将提高接头强度更加接近正式焊缝，同时做好层间清理防止层间缺陷。
7)焊后对焊缝跟踪148℃消氢处理，减少焊缝中氢的含量；冷却后对不锈钢一侧进行890℃稳定化处理快速冷却，减少碳化铬的形成，提高塑性韧性。
8)进行RT检测内部缺陷，由于是气渣联合保护II合格；硬度试验，焊缝的硬度值介于两母材之间，熔合区硬度值略低于母材。
三、通过上述分析比较，可得知本实施例的焊接工艺的主要特点是：
1)操作方便，焊接顺利。虽然本实施例的焊接顺序与氧--乙炔焰钎焊基本相同，加热范围较大，但是本实施例在点固前对紫铜一侧进行预热，焊接时两侧热量需求基本一致，点固、焊接操作非常容易，尤其时钟6点左右的仰位焊接，在焊接电弧吹力的作用下，镍基焊材熔滴过渡均匀，与两种母材完全熔合，而且焊接特别顺利。仅用了1个小时便可完成Φ57×4.5mm的一道焊口。
2)焊接质量好，主要是由于焊前预热使其在焊接时两侧热量的需求基本一致；采用焊条电弧焊，热量集中两侧母材顺利熔合；选用镍基焊材，可使焊缝的化学成分和机械性能更加接近两种母材；收弧时填满弧坑，缓慢抬起电弧，防止弧坑裂纹及其它缺陷的产生；焊接过程严格控制温度，防止过热组织的产生；焊后跟踪148℃消氢处理，减少焊缝中氢的含量，防止延迟裂纹的形成；冷却后对不锈钢一侧进行890℃稳定化处理快速冷却，减少碳化铬的形成，提高塑性、韧性。
通过对比，采用新型焊接工艺对紫铜与不锈钢异种材质接头进行焊接，温度非常容易控制，而且又是熔焊，填充材料于母材完全熔合在一起，它的机械性能都胜于氧--乙炔焰钎焊接头，使用效果甚佳，而且质量得到保证，有效降低焊接成本和操作人员的劳动强度，便于推广使用。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺包括下述步骤：
A、在紫铜构件与不锈钢构件相对的一侧加工坡口，清理坡口边缘的杂物，将紫铜构件与不锈钢构件放在同一平面进行组对，并预留间隙；
B、对紫铜构件一侧进行600-680℃的焊前预热；
C、按照点固顺序在紫铜构件与不锈钢构件之间的几个位置进行点固；
D、采用焊条电弧焊直流反接将紫铜构件与不锈钢构件进行焊接，将紫铜、不锈钢两种材质顺利的熔合在一起；
E、焊后对焊接接头进行加热到130-180℃，然后冷却到室温，进行消氢处理，减少焊缝中氢的含量；
F、待消氢处理后，对不锈钢构件一侧进行840-890℃稳定化处理快速冷却，以减少碳化铬的形成，提高焊缝的塑性和韧性。
2.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，上述步骤B中，采用氧—乙炔中性焰对紫铜构件一侧进行焊前预热。
3.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，上述步骤C中，在紫铜构件与不锈钢构件之间，依次按照时钟12点，9点，3点的三个位置进行点固。
4.根据权利要求3所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，上述步骤D中，在紫铜构件与不锈钢构件之间依次通过从时钟6点至9点至12点的焊接方向，以及从时钟6点至3点至12点的焊接方向进行焊接的。
5.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，上述步骤D中，所述焊条为Φ2.5mm、Ni112的焊条，所述焊条在焊接前，先进行60分钟120-180℃的烘干。
6.根据权利要求5所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，上述步骤D中，所述焊条每1秒钟左右摆动一下，使紫铜构件与不锈钢构件两边坡口熔合良好。
7.根据权利要求5所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，在紫铜构件与不锈钢构件之间预留1.6-2.0mm的间隙，在焊接时，采用75-83A的焊接电流进行焊接。
8.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，在上述步骤D还包括步骤：焊接收弧时反复熄弧填满弧坑后，缓慢抬起电弧，防止弧坑裂纹的产生。
9.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，在上述步骤D中，打磨修理每一个起弧、收弧接头，以保证接头熔合良好；打底接头和盖面接头错开设置，确保接头强度；做好层间清理，防止层间缺陷。
10.根据权利要求1所述的紫铜与不锈钢异种材质的焊接工艺，其特征在于，在上述步骤F之后，还包括如下步骤：
G、对焊口进行RT检测内部缺陷；
H、通过气渣联合保护宏观分析；
I、通过金相组织分析，发现不锈钢构件一侧仍然是奥氏体组织，与焊缝没有太大区别，紫铜一侧热影响区是以铜为基体并与焊缝完全熔合；
J、力学性能分析。
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