Ｈ６２黄铜及普通低碳钢材料气焊工艺开发

金立果　杨俊明

摘要：本文针对工业生产中最常见的H62黄铜的特性、焊接技术及工艺措施、工艺装备结构等进行焊接可行性和焊接工艺的研究，对采用的焊接材料、工艺方案等进行讨论，对焊接难点进行突破和改进，为国内工程提供合格的焊接工艺评定、减少工程开支，另一方面也为工程施工做好必要的技术储备。

关键词：气焊；焊接工艺；难点；重要突破

1 项目概况

铜具有优良的导电和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件、连接件和使用件的需要部位采用铜，而其他部位则采用成本低廉的低碳钢材料。这种结构多数采用的是非焊接方式（比如胀接、法兰连接）或软钎焊（使用焊锡或其他钎料进行低强度的连接，未能达到原子结合的焊接方式），相对整体结构的强度的稳固性来说比焊接显得有所不足，这使得在一些承受载荷，需要牢固连接的部位，不得不以纯铜进行设计和制作整个系统。

2 项目计划情况

第一阶段，项目调研及可行性分析；第二阶段，材料的可焊性试验；第三阶段，焊接工艺评定制作；第四阶段，效益分析；第五阶段，项目总结

3 项目计划执行情况

3.1 第一阶段，项目调研和可行性分析

3.1.1 项目调研

a. 根据工程施工的要求，我们需要做角焊缝的焊接工艺评定，因此在编制焊接工艺时，主要考虑的是焊缝和两种金属母材的结合情况，要做到焊缝和母材在金相上的完全融合。

b. 查找可借鉴的文献和资料，发现黄铜和低碳钢的异种钢接头气焊基本是空白，需要我们自行摸索其焊接工艺；

c. 根据黄铜和低碳钢的物理特点制定出一套科学合理的气焊工艺；

3.1.2 可行性分析：

a.不利因素如下：

铜及铜合金具有良好的导热性，常温下热导率是铁的七倍多，1000℃时是铁的11倍，所以，焊接铜和铜合金与低碳钢接头时，铜工件很容易整体同时变热，加热到局部熔化状态就比较困难，如果选择的焊接参数和工艺手段出现问题，就很容易出现母材不熔或填充金属和母材结合不好的情况。

对于使用最广泛的手工电弧焊来说，铜电阻率极小,和电焊机的地线及把线的电阻率基本一样，因此焊接电弧漂移不定，造成焊接外观质量差，而且铜的导热极快，熔池凝固过程太快，手工焊产生的焊渣、气体难以在熔池凝固之前浮出，形成缺陷。

因此，在铜的焊接工艺中，主要采用“能量集中”“少渣”“吹力小”的热源进行焊接，比如钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等工艺。

但即使采用了“能量集中”“少渣”“吹力小”的热源，由于铜和铁的巨大物理性能差异，仍然给铜和铁的异种钢接头带来了焊接应用的困难，所以我们很少在工业场合见到铜和低碳钢的异种钢焊接接头。

而氧-乙炔气焊，由于输入的热量不够集中，所以常被先入为主的认为不适合进行铜和铜合金的焊接，在工业上使用较少，在铜和低碳钢的异种钢接头上应用的就更少。

这是使用氧-乙炔气焊进行黄铜和低碳钢异种钢接头焊接的不利因素

b.有利因素如下：

氧-乙炔气焊有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等工艺所没有的优势，比如：

应用广泛，设备现成，操作人员现成。钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等工艺由于需要专门的设备，不适合现场移动作业，在野外施工现场或施工工地上应用不够广泛，但氧-乙炔气焊设备几乎是每个存在钢结构的施工工地所必备的设备。

人员培训容易。在找到合适的焊接工艺后，气焊工可以按工艺进行操作，仅需要进行具体参数和操作手法的训练即可。而钨极气体保护焊（氩气）、熔化极气体保护焊（氩气） 、电子束焊由于现场使用量少，需要重新培训其对应工种。

成本较低。使用的是现场随处可见的设备（氧气和乙炔瓶、少量专用焊剂、气焊枪、砂纸、水玻璃或纯净的温水），氧气和乙炔的价格相比气体保护焊使用的氩气的价格要低廉很多。

3.2 第二阶段，材料的可焊性试验

按照制定的气焊工艺有计划焊接了30个管板试件。寻找合理的焊材搭配，对这些角焊缝进行外观检测和内部的宏观金相检验，来验证该角焊缝的金属结合程度及焊缝断面、最终确定的焊接工艺随焊接焊件表面的质量检验结果表明焊缝金属和母材结合的很好，完全符合JB4708-2000的标准要求，这可以证明铜-铁之间通过气焊工艺焊接是可行的。

3.3 第三阶段，焊接工艺评定制作和应用

根据焊接试验结果,对焊接工艺参数、组对尺寸等相关数据进行分析、整理和总结，同时焊接质量满足相关施工验收规范的要求。

焊接工艺评定材料和规格为∮60×5、20#和δ=5、H62,焊接位置2FG，执行标准为GB 50236-98（现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范）。

4 效益分析

为工程建设等行业做好了技术储备。节约了工程中贵价金属铜的使用，产生经济效益。用气焊代替普通焊接，从而产生安全、环保方面的附加经济和社会效益。用气焊代替氩弧焊和电子束焊，具有设备上的便捷性、易操作性和广泛性，节省设备的使用和拉运经费。

5 创新点、难点或重要突破

5.1 火焰的选择和预热温度的选择

纯铜焊接通常采取中性火焰，但由于异种钢接头的物理特性差异，要保证焊丝和母材的融合，需要把破口两侧都预热到500℃左右，使熔池冷却速度减慢，便于析出气体，为了保证热量的集中，需要用热量相对集中的氧化焰，但同时为了保护黄铜中的锌元素不被过多氧化，决定使用极轻微的氧化焰。

该难点的解决方法是采用轻微氧化焰，试验后可行。

5.2 常见缺陷的防止

黄铜焊接容易出现的缺陷主要是热裂纹和气孔，热裂纹的产生原因是合金元素偏析和氧化膜的夹杂，所以焊缝不应该在900℃以上的高温区停留太久，容易产生大量氧化物和气孔，也不宜凝固太快，这样容易把夹杂和气孔凝固在焊缝里，因此需要把焊缝周围预热500℃左右以保证熔池不太快凝固，但焊接速度要快，焊接热量要集中，使合金元素不要烧损过多，影响焊缝的性能。

该难点的解决方法是将焊缝区预热到合理的温度，并配合恰当的焊接速度

5.3 保证焊缝金属的流动性

由于铜上常常有氧化膜，铜内部有时也有铜氧化膜，合金元素锌也容易蒸发，所以需要使用合适的焊剂加强熔池的流动性，并形成薄膜阻碍锌的蒸发。

该难点的解决方法是选择合适的焊剂，经多次试验后我们选择了CJ301焊剂，要求焊接前用砂纸打磨掉铜件和焊丝上的氧化膜，然后把焊剂涂敷覆盖在整个焊接区和焊丝上，然后再进行焊接

5.4 焊枪倾角的选择

由于两种母材金属的导热速度不同，需要把更多的热量加到碳素钢的一侧，因此焊枪倾角与焊单一材料不同，需要把焰心更加朝向碳素钢的一侧，为了保证火焰热量的集中，火焰要与焊缝有更小的接触点，需要把焊枪立起来一些，与母材的夹角为75°~85°。

采取以上措施，我们成功的完成了黄铜和低碳钢的焊接工艺，突破了黄铜不适合气焊，黄铜和低碳钢难以焊接的思维习惯。

6 项目总结

该工艺是可行的，但由于铜-铁之间物理性能差异大，有许多和平时焊接不一样的工艺措施和操作要求，应在施焊前对焊工进行有针对性的培训。

该工艺具有以下特点：a、设备简单，容易操作，减少成本。b、施焊人员容易掌握，培训周期减少。