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紫铜管与不锈钢管对接焊焊接工艺

发布日期:2020-03-25 19:16 作者:bbin宝盈 点击:

  2004 年 第3期 Pipeiine Technigue and Eguipment 2004 No . 3 紫铜管与不锈钢管对接焊焊接工艺 侯伟鹏,龙建军,谢赐生 (广东韶钢建设有限公司,广东 韶关 512123) 摘要:通过对紫铜与不锈钢的焊接性能分析和试验,确定了合理的 TIG 焊焊接工艺,获得了优质的 焊接接头,解决了紫铜管与不锈钢管对接焊接的技术难题。 关键词:紫铜管;不锈钢管;TIG 焊;焊接工艺 中图分类号:TG44 文献标识码:B 文章编号:1004 - 961(4 2004)03 - 0030 - 02 Welding Procedure of Red Copper Pipe and Stainless Steel Pipe Butt Welding HOU Wei-peng,LONG Jian-jun,XIE Ci-sheng (Shaoguan Iron and Steei Construction Limited of Guangdong,Shaoguan 512123,China) Abstract:By weidabiiity anaiysis and test of red copper and stainiess steei,the reasonabie weiding procedure of TIG were ascer- tained and good weiding,joint was gotten. The weiding probiem of red copper pipe and stainiess steei pipe was resoived. Key Words:Red Copper Pipe;Stainiess Steei Pipe;TIG;Weiding Procedure 1 引言 接头的刚度大,则焊接变形受阻后就会产生很大的焊 韶钢大转炉工程的转炉顶吹供氧阀站,其管道的 接应力,成为导致焊接裂纹产生的力学原因。 设计压力为 2.5 MPa,属 GC2 类供氧压力管道,设计利 表 ! 铜和不锈钢物理性能比较 用紫铜管作为阻火器,主要是因为紫铜管具有导热性 能优良、常温塑性良好的特性,用于介质流速急剧变 化且易燃易爆的特殊管段上,可起到阻火和快速散热 的效果。由 于 阻 火 器 前 后 均 为 不 锈 钢 管( 0Cr18Ni9), 故需进行紫铜管与不锈钢管对接焊。紫铜管和不锈 钢管有 !159 mm 6 mm,!325 mm 10 mm 2 种规格, 每种规格各有 8 个对接焊口,设计技术要求采用全焊 透连续焊。 2 焊接性分析 紫铜与奥氏体不锈钢的焊接属于异种金属焊接, 两者的物理性质差异很大,熔点相差达 400 C以上,使 金属 热导率 线胀系数 (/ W·m - 1·k - 1) (/ 10 - 6k - 1) 收缩率 /% 紫铜 385 . 19 16 . 8 4.7 不锈钢 16 . 29 16 . 3 2.0 2.2 化学成分差异分析 根据金属学原理,元素间的相容性对异种金属的 焊接性起决定性的作用,化学元素间的相互溶解度取 决于溶质元素之间的晶体点阵类型、原子尺寸、晶格 常数的差别。高温(912 ~ 1 390 C)时 Fe 与 Cu 晶体结 构均为面心 立 方( fcc)、原 子 半 径 尺 寸 相 近、晶 格 常 数 接近,故 钢 与 铜 的 焊 接 性 较 好[1]。 但 铜 与 钢 焊 接 时, 焊接难度增大,能否获得满意的焊接接头,取决于被 焊金属的物理性能、化学成分和所采用的焊接方法及 工艺。 焊缝金属晶粒间容易形成(Cu + Cu20),(Fe + Fe3S2), (Ni + Ni3S2)等多种低熔点共晶,在焊缝金属凝固结晶 的后 期, 这 些 低 熔 点 共 晶 以 “ 液 态 薄 膜 ” 的 形 式 连 2.1 物理性能差异分析 续分布在固态 a 铜的晶粒边界,割断固体晶体间的联 表 1 为铜和不锈钢物理性能比较,由表 1 可见,钢 系,削弱了晶间结合能力,致使焊缝金属塑性显著 与铜物理性能差别很大,铜的热导率是钢的 23.6 倍。 下降。此时,由于钢和铜之间显著的物理性能差异 焊接时热量会迅速从加热区向外传导,熔合区难以达 而或多或少产生的拉伸应力就有可能导致焊接接头 到熔化温度,致使填充金属与母材不能很好熔合,产 脆弱部位产生热裂纹。铜和不锈钢的化学成分比较 生焊不透现象[2]。 如表 2。 铜的线胀系数比钢 略 大,而 收 缩 率 是 钢 的 2.35 根据对铜和钢焊接性的分析,选择正确的焊接方 倍,且铜的导热能力强,冷却凝固时变形量大,而焊接 法及合适的填充材料,制定合理的焊接工艺是获得优 收稿日期:2003 - 12 - 10 收修改稿日期:2004 - 01 - 31 第3期 侯伟鹏等:紫铜管与不锈钢管对接焊焊接工艺 31 良焊接接头的关键。 表 ! 铜和不锈钢化学成分比较 组别 牌号 化学成分(质量分数)/ % 奥氏不锈钢 紫铜 0Cr18ni9 TUP C:!0 . 07;Si:!1 . 00;Mn:!2 . 00;P:!0 . 035 S:!0.030;ni:8.00 ~ 11.00;Cr:17.00 ~ 19.00 Cu:99.5;P:0.01 ~ 0.04;S:!0.01;0:!0.01 Fe:!0 . 05;ni:!0 . 2;Pb:!0 . 1;Sn:!0 . 05 3 焊接方法选择 紫铜与不锈钢焊接可采用气焊、氩弧焊等焊接方 法。气焊的焊接熔池温度易于控制,容易实现单面焊 双面成形,对焊件进行焊前预热和后热也较便利。但 由于氧乙炔焰温度低,热量分散,难以克服因紫铜散 热快而引起焊不 透 的 缺 陷,较 难 获 得 良 好 的 焊 接 质 量。手工氩弧焊(TIG)氩气保护可靠,熔池金属不易发 生氧化;焊接温度高,能量集中且电弧和熔池可见性 好,操作方便,易于控制熔池形状及焊缝成形;没有熔 渣,不需焊后清渣,焊接接头外观质量好,故确定采用 TIG 焊的焊接方法[1]。 4 焊接材料选择 选用紫铜焊丝 HS201 作为填充材料,焊丝的主要 性能、化学成分见表 3。 表 焊丝熔敷金属化学成分及主要性能 牌号 名称 化学成分 /% 接头强度!b 熔点 / MPa /C HS201 Sn:0.8 ~ 1.2;Si:0.2 ~ 0.5 特制紫 Mn:0.2 ~ 0.5;P:0.02 ~ 0.15 铜焊丝 Cu:余量 196 1 050 5 焊接试验 (1)试验用材料:板材分别为 TUP,0Cr18ni9,焊接 材料采用 2.0 mm 的 HS201。 (2)为方便制备拉伸、弯曲试样,确定试板尺寸为 300 mm 200 mm,# = 6 mm,数量 2 套,坡口形式及其 尺寸如图 1。 图 1 坡口形式及其尺寸 (3)试件焊后经焊缝外观检测,未发现表面裂纹、 气孔等缺陷。经 100% 射线 张片子的检测报告 均为!级,合格。 (4)经拉伸试验得!b1 = 200 MPa 196 MPa,!b2 = 205 MPa 196 MPa,焊接接头的抗拉强度高于紫铜。 (5)制取冷弯试样 4 件,宽度为 30 mm,弯曲角度 为 180 ,抗弯试验结果:无裂纹,合格。 6 焊接工艺应用 6.1 坡口及焊材清理 管端加工坡口形式见图 2,对于 159 mm 6 mm 管,留钝边 ! 为 1 ~ 2 mm、间隙 为 2 ~ 3 mm;对于 325 mm 10 mm 管,留钝边 ! 为 2 ~ 3 mm、间隙 为 3 mm. 并用四氯化碳清洗坡口表面及两侧 20 mm 范围 内的 油 污、水 分、锈 蚀、氧 化 物 及 其 他 夹 杂 物,直 至 露 出金属光泽。焊丝表面也严格除油并放入烘箱中烘 干,烘焙温度为 150 ~ 200 C .[1] 图 2 管端加工坡口示意图 6.2 焊前预热 由于紫铜 导 热 系 数 大,散 热 迅 速,故 施 焊 前 必 须 先用中性焰对铜管一侧进行预热(温度 400 ~ 450 C), 焊接过程中仍要保持焊缝层间温度不低于预热温度。 6.3 焊接 施焊时采用短弧焊,电弧中心要偏向铜管侧约 2 ~ 4 mm[2],一方面减少铜管侧的热量损失,以免发生 未焊透、未熔合等缺陷;另一方面也可防止不锈钢管 一侧受热过多而产生烧穿、咬边现象。 采用连续送丝方式,不能采用不加焊丝而将 2 种 母材直接熔合的方法。 施焊过程中尽量减少熄弧次数,熄弧前为防止出 现弧坑和过早失 去 保 护,应 在 熄 弧 前 多 添 加 填 充 金 属,填满后再熄弧停止送氩气。焊接工艺参数见表 4。 表 # 焊接工艺参数表 喷嘴直径 钨极直径 焊丝直径 焊接电流 氩气流量 层次 电源极性 / mm / mm / mm / A (/ L·min - 1) 打底 直流正接 22 4 2.0 330 ~ 360 20 ~ 22 盖面 直流正接 22 4 2.0 480 ~ 500 25 ~ 27 6.4 焊后保温 焊接完 毕 后,用 复 合 硅 酸 盐 毡 覆 盖 焊 口 保 温 缓 冷,以减弱焊接应力,防止裂纹产生。 6.5 质量检验 对焊缝进行了 100% 着色渗透探伤,未发现裂纹、 气孔、未焊透等缺陷。根据《氧气管道施工说明》要求 抽检 5 处进行射线探伤,结果为级,合格。供氧阀站 工艺管道经 2.875 MPa 气压试验合格,(下转第 36 页) 36 PipeIine Technigue and Eguipment Jun . 2004 2.2.l 建立工作表 首先进入 ExceI 系统中,建立一张专用的计算表 格,然后在 Al 单元格中输入!/ d,在 Bl 中单元格中 输入 Re,在 El 单元格中输入. 2.2.2 输入原始数据及计算公式 将原始数据相对粗糙度!/ d 和雷诺数 Re 的值分 别输入到单元格 A2,B2 中,再选取 C2 单元格并输入 公式 SORT(0.044),然后将公式( - 0.5 / LOGl0(A2 / 3.7 + 2.5l(/ B2 C2)))^2 输入到 D2 单元格中并确定,最 后将 D2 单元格的值记入 E2 单元格中。 2.2.3 计算 单击菜单栏“工 具”项 中“选 项”菜 单,打 开 对 话 框,选择“重 新 计 算 ”功 能 条,并 选 中“ 反 复 操 作 ”复 选 框,设定迭代 次 数 和 最 大 误 差,再 选 择“ 自 动 重 算 ”复 选框并确定。然后再次选取 C2 单元格,在公式板中 将公式中的 0.044 项取消,改为 E2 并确定,则工作表 会自动计算而得到摩擦因数 的值。也可在对话框 中选择“人工重算”复选框及“重算所有文档”功能条, 计算结果相同。经过多次测算,迭代次数选取为 5 即 可得到精确的摩擦因数 的值。 2.2.4 各种情况下摩擦因数 的计算 在 A,B 列其他单元格中分别输入其他组!/ d 和 Re 的值,在 C,D,E 列其他单元格中分别复制 C2,D2, E2 单元格中的公式和格式,则 E 列单元格中的值为所 求。也可将新的已知 条 件 送 入 单 元 格 A2,B2 中,则 C2,D2,E2 单元格的值也会相应改变,E2 单元格的值 为所求,每送一组已知条件可得 到 一 个 的 值。因 此,可以很方便地得到不同状况下的摩擦因数 的 值。 2.2.5 保护工作表 整个设计 好 的 计 算 表 格 可 用 菜 单 栏“ 工 具 ”项 中 “保护”菜 单 的“ 保 护 工 作 表 ”选 项 保 护 起 来。 计 算 表 格被 保 护 起 来 以 后,除 了 已 取 消 锁 定 的 单 元 格( A,B 列)以外,其余单元格中的公式、数据、格式便不能被 改动。 3 计算结果及分析 为了检验该方法的准确性,并确定计算结果的精 度和准确性,以式(2)为基准,对 ExceI 法、程序计算法 和查图法所得的数据进行比较。 3.1 计算结果 用 ExceI 法计算得到的部分结果在表 l 中给出,表 l 中还同时列出了程序计算法[2]和查图法得到的数 值,比较表 l 的数据不难看出,该方法可以得到很精确 的结果。 表 ! 摩擦因素计算结果的比较 NO . Re !/ d ExceI 法 编程法 查图法 l 3 000 0.003 4 0.046 5 0.046 5 0.046 2 2 5 000 0.002 0.039 6 0.039 6 0.040 0 3 l0 000 0.00l 0.032 4 0.032 4 0.033 0 4 20 000 0.005 0.034 5 0.034 5 0.035 0 5 60 000 0.000 035 0.020 2 0.020 2 0.020 0 6 80 000 0.000 6 0.02l 3 0.02l 3 0.02l 5 7 2l8 000 0.03 0.057 3 0.057 3 0.058 0 8 450 000 0.03 0.07l 6 0.07l 6 0.058 0 3.2 几种方法的比较 采用查图 方 法 时,若 雷 诺 数 位 于 完 全 湍 流 区,通 常直接按!/ d 查出摩擦因数 而不考虑雷诺数 Re 的 影响,这将产生人为误差。可见上述结果比查莫迪图 更为准确可靠,且无查图之苦。使用程序计算法与该 方法得到的结果完全一样,但该方法省去了繁琐的编 程过程,使计算相对直观容易,便于使用者掌握。 4 结束语 (l)采用介绍的 ExceI 法计算摩擦因数,计算过程 直观、简便快捷,避免了繁琐的查图过程或编程过程, 提高了工作效率。 (2)介绍的计算方法精度较高,消除了人为偏差, 计算结果可靠。 参考文献 [l] 谭天恩,麦本熙,丁惠华,等 . 化工原理(上). 北京:化学工业出版 社,l990 . [2] 王新祥 . 计算摩擦系数的计算机模拟 . 化学工程师,200l(5):44 45 . (上接第 3l 页)现已投入使用。 7 结束语 自 2003 年 3 月 22 日转炉工程投产以来,氧气管 已安全运行 9 个多月,并保证了新转炉顺利达产,证明 所采用的焊接工艺可行。通过对紫铜管与不锈钢管 的焊接性研究和实践,探索出成功的异种金属焊接工 艺,此焊接工艺可在同类型焊接施工中推广应用。 参考文献 [l] 中国机械工程学会焊接分会 . 焊接手册(第 2 卷). 北京:机械工业 出版社,l995 . [2] 陈祝年 . 焊接工程师手册 . 北京:机械工业出版社,2002 . 紫铜管与不锈钢管对接焊焊接工艺 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 侯伟鹏, 龙建军, 谢赐生 广东韶钢建设有限公司,广东,韶关,512123 管道技术与设备 PIPELINE TECHNIQUE AND EQUIPMENT 2004(3) 参考文献(2条) 1.中国机械工程学会焊接分会 焊接手册 1995 2.陈祝年 焊接工程师手册 2002 本文读者也读过(10条) 1. 井维海.梁艳.陈伟.陈俊强.周世锋.周宝金.赵滨林 不锈钢法兰与紫铜管的焊接[期刊论文]-焊接2011(6) 2. 谭玉春.陈一新 T2铜管和1Cr18Ni9Ti不锈钢管的焊接[期刊论文]-株洲工学院学报2003,17(2) 3. 仇志晖 紫铜管与低合金钢管的焊接[期刊论文]-化工机械2002,29(2) 4. 孙洪业 铬镍奥氏体不锈钢管与紫铜管的气焊工艺研究[期刊论文]-中国科技财富2009(22) 5. 齐淑改.周靖华.石元江 低温容器中不锈钢与紫铜的焊接[期刊论文]-焊接技术2000,29(2) 6. 丁炜.毕贤顺.吕念春 紫铜与不锈钢焊接接头的力学性能[期刊论文]-黑龙江科技学院学报2003,13(4) 7. 方革新 薄壁不锈钢管焊接工艺改进[期刊论文]-中国高新技术企业2007(16) 8. 杨惠谷.严伟华.钱耀洲.张常春 铜管套管搭接钎焊工艺评定探索[期刊论文]-化工装备技术2007,28(3) 9. 邱毅强.陈孙艺.张浩帆 空调两器管头焊接技术[期刊论文]-电焊机2004,34(9) 10. 黄仁果.张国栋.任世宏.张建晓.HUANG Ren-guo.ZHANG Guo-dong.REN Shi-hong.ZHANG Jian-xiao 紫铜换热管与不 锈钢管板接头的TIG焊[期刊论文]-电焊机2009,39(7) 本文链接:

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