铝黄铜合金管焊接工艺研究

王雪山

（海军驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116000）

HAl77-2铝黄铜合金是工厂建造新型破冰船上使用的新材料。该材料耐腐蚀性高、冷热加工性能好、力学性能优于纯铜材料，是在普通黄铜中加入铝等元素成为特殊黄铜。为了保证该材料管路的焊接施工质量（外观、力学性能、抗冲击性等），满足该船设计工况的使用要求，因此，有必要对HAl77-2材料管子焊接工艺进行研究，设计并评定最佳焊接工艺参数，保证焊接接头具有良好的力学性能和抗腐蚀性能。同时关注在焊接过程中可能出现的焊接接头组织性能劣化及产生的焊接缺陷等。

1 HAl77-2材料特点

HAl77-2材料是在普通黄铜中加入铝等金属元素成为特殊黄铜—铝黄铜合金，具有较高的强度、硬度以及良好的塑性，可在冷态、热态下进行压力加工，对海水有良好的耐腐蚀性，而且耐冲击腐蚀，但是有脱锌及腐蚀破裂倾向。

2 HAl77-2材料的焊接性

（1）HAl77-2铝黄铜合金材料的焊接性比较差，主要表现在以下2方面：①焊缝成形能力差。焊接时容易出现溶合难、对接焊缝焊不透和表面成形差等外观缺陷。这主要是由于铜的导热性强，焊接时热量迅速从加热区传导出去，焊接区域较难达到熔点温度，母材与填充金属难溶合。为此焊接时采用能力集中的强热源，必要时应进行预热；②容易产生气孔。在高温下产生较多的氢和不溶于铜的CO2或水蒸气，来不及溢出或生成反应性气孔。因此焊接时应延长熔池存在时间和采用含铝、钛等强脱氧剂的焊丝，防止气孔的产生。

（2）焊接材料的选择。焊接HAl77-2铝黄铜应满足一般工艺要求，也就是焊接材料的化学成分与力学性能与母材相当之外，主要是控制杂质含量和提供填充金属的脱氧能力，避免产生热裂纹和气孔等缺陷。增强对焊缝的脱氧能力，在焊丝中加入脱氧剂硅、锰等合金元素，脱氧剂硅还可以抑制锌的烧损。通过对HAl77-2铝黄铜合金的材料特点和焊接性能的分析和研究，避免可能出现的焊接接头缺陷，采用青铜加脱氧剂的铝青铜焊丝CuAl8，其主要的化学成分是铜和铝，并添加了避免产生热裂纹和气孔等缺陷和改善焊缝金属组织、提高强度、塑性、耐腐蚀性及改善焊丝工艺性能有益金属元素硅、铁、锌、锡等。

3 钨极惰性气体保护焊的原理及特点

（1）基本原理。在惰性气体的保护下，利用钨极和工件之间产生的焊接电弧溶化母材及焊丝的一种焊接方法。

（2）分类及特点。钨极惰性气体保护焊按操作方式可分为手工焊接和自动焊接；按电流种类分为直流和交流。文章研究的HAl77-2铝黄铜合金材料的焊接，采用氩气保护的手工直流焊接的方法。其主要特点有保护效果好、焊接过程稳定、焊接质量好、易于操作、适宜于各种位置的焊接，但是对工件焊接区域清洁度要求较高、生产效率及成本较高。

（3）应用。钨极氩弧焊由于受承载能力的限制，适宜于焊接薄件，一般焊接厚度小于12mm的构件；钨极氦气焊的焊接厚度可适当增加。文章讨论的HAl77-2铝黄铜合金材料的厚度为3mm，，适合采用钨极氩弧焊方法焊接。

4 钨极氩弧焊焊接工艺

4.1 气体保护

根据管件的焊接接头形式，分析、讨论影响气体保护效果有如下主要因素。

（1）气体的流量和喷嘴直径匹配关系较大，也就是说，对于喷嘴直径一定，要获得最佳的保护效果，这时保护气体流量调节就显得较为重要。流量过小，排出周围空气的能力弱，抗干扰能力差，保护效果不好；流量过大，易形成紊流，使空气混入，降低保护效果。

（2）喷嘴端面距焊缝表面的距离，在电极长度不变的情况下，喷嘴到焊缝表面距离越小，其喷出的气体越坚挺，抗外界干扰的能力越强，有效保护直径越大。但是距离太小，易影响焊接操作并造成飞溅堵塞喷嘴的现象。因此，在不影响焊接操作和造成其它不良影响的情况下，尽量采用短弧焊。

（3）焊接速度，一般情况下对气体的保护效果影响不大，只有在高速时，由于受到空气的阻力使保护气层偏离电极末端，部分电弧和熔池暴露在空气中，影响保护效果。所以宜采用较低的焊接速度。

4.2 焊前准备

（1）焊缝接头及对接焊坡口的形式。文章讨论对接和角接两种接头形式焊接，接头坡口形式如表1所示。

表1 对接焊坡口形式及焊缝尺寸

（2）焊前清理。①清除油污，去氧化层之前，将坡口及两侧30mm内的油污、赃物等用汽油或丙酮等有机溶剂清洗干净；②清除氧化层，用钢丝刷或砂布（颗粒度100#～120#）将焊丝和焊件表面的氧化层清除，直至露出金属光泽；氧化层清除后应尽快施焊，若存放超过24h应重新清理；③清除水、金属屑等其它影响焊接质量的杂质。

4.3 焊接设备的选择及参数设置

（1）采用直流非熔化极氩弧焊机，电源和极性采用直流电源，正接法。

（2）钨极采用2%钍钨合金电极，不同直径钨极电流许用值如表2所示。

表2 钨极直径电流许用值 单位：A

（3）焊接参数根据经验和试验设置如表3所示。

表3 HAl77-2管焊接参数

（4）钨极端部形状。

（5）氩气的纯度应大于等于99.70%。

4.4 焊接工艺方法

（1）引弧。一般氩弧焊机均有高频或脉冲引弧和熄弧装置，使钨极与工件间保持3mm～5mm距离，接通电源在高压高频或高脉冲作用下，击穿间隙放电引燃电弧。引弧不能在坡口外的母材上，以免造成母材表面电弧擦伤而引起的腐蚀和微裂纹。引弧应在坡口或焊缝的焊接处前方10mm左右，电弧稳定后，在慢慢拉到焊接处开始焊接。

（2）控制焊接温度。焊接温度对焊接质量影响很大，各种焊缝裂纹、咬边、凹陷、烧损、凸瘤、气孔、夹渣、未焊透、未溶合等缺陷的产生是温度不适当造成的，因此焊接过程一是控制层间温度；二是控制焊接温度。通常情况下，焊接时熔池的平面视图应该是鸭蛋圆形，短轴约为钨极直径的2～2.5倍，两侧母材溶入1～1.5mm，电弧的中心约在熔池1/3处，焊丝在熔池中心添加。

（3）运弧的要求。施焊时，一般采用左焊法，焊枪、焊丝及焊件相互间应保持一定的距离及倾角关系。焊枪倾角为70°～85°，焊丝置于熔池前面或侧面，焊丝倾角15°～20°焊接时，在不妨碍操作者视线地情况下，尽量采用短弧焊接，弧长保持2～4mm，焊枪以规定或经验的匀速，沿焊缝长度方向左右摆动直线移动。

（4）停弧。焊接中途需停弧时，采用逐渐加快运弧速度，缩小熔池面积在收弧的方法，加快运弧的长度约20mm左右。再次在原停弧处引弧焊接时，待熔池形成后，向后压1～2个波纹，接头的起点不加或少加焊丝，起点和接头处的焊接速度适当放慢。

（5）收弧。收弧是一道焊缝焊接完成，在焊接终止时，焊炬前移速度逐渐加快，焊丝的添加量逐渐减少，直到母材不熔化为止，收弧时需注意应重叠焊缝20～30mm。熄弧后不能马上移开焊炬，应在收弧处停留3～5s，使收弧处得到较好的惰性气体保护。

（6）焊接环境。一般应在车间内干净的工作台上进行装配和焊接，焊接时应设置通风装置，排除焊接产生的废气、烟尘等，但应保证通风不吹散焊缝附件的保护氩气。

5 结语

HAl77-2材料的铝黄铜合金管焊接对工厂来说，属于新材料、新工艺、新方法，施工过程中难度较大，通过研究探索，从试验结果中筛选出最佳的焊接工艺方法，逐项解决各项施工及技术难题。焊缝表面光滑、溶合良好，力学性能符合技术要求，取得了较理想的效果，保证了船舶的按期交付，得到了用户的高度认可，同时也使得工厂造船能力再上一个新的台阶。