黄铜合金的焊接技术及不同热处理状态下的性能对比_朱宁.pdf

2023年 第4期 热加工42焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g参考文献：1 庄鸿寿，E罗格夏特高温钎焊M北京：国防工业出版社，1989.2 张学军航空钎焊技术M北京：航空工业出版社，2008.3 张启运，庄鸿寿钎焊手册M北京：机械工业出版社，2008.图1铜冷凝器结构黄铜合金的焊接技术及不同热处理状态下的性能对比朱宁，韩冰中石化南京化工机械有限公司 江苏南京 210048摘要：以国外某炼油厂铜冷凝器的制造为例，分析 C46400黄铜合金的焊接性，介绍C46400黄铜合金的焊接方法、焊接工艺评定试验。为深入研究C46400黄铜合金的焊接性，焊后通过采取不热处理、低温去应力退火和再结晶退火三种方式，观察组织、硬度和力学性能变化。通过产品浮头盖与浮头法兰的焊接实例，阐述了MIG焊焊接黄铜合金所采取的技术措施。关键词：C46400黄铜合金；焊接性；焊接试验；热处理1 序言某公司为拓展国际业务，承接了国外某炼油厂改造升级项目的一阶、二阶、三阶铜冷凝器的设计及制造。该批铜冷凝器是浮头式换热器，结构复杂，设计及制造要求高，换热管和管板、浮头盖以及浮头法兰是黄铜材质，结构如图1所示，技术参数见表1。铜冷凝器设计、制造和检验标准按照TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程、GB/T 150.1150.42011压力容器、GB/T 1512014热交换器执行。2 黄铜合金特点及焊接性分析2.1 黄铜合金特点C46400黄铜合金是由Cu、Zn两种元素组成，含有少量的Pb、Sn、Fe、Si等元素，因而可以获得某些特殊性能，有较强的耐磨性，强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强，又能承受冷热加工，因此在机械制造中应用比较广泛。C46400黄铜合金化学成分和力学性能见表2、表3，执行标准ASME SB-1712017。2.2 黄铜合金焊接性1）难熔合及易变形。由于大多数铜合金的热导率比普通碳素钢大7倍以上，因此熔焊时大量的热从基材上散失，焊接区难以达到熔化温度，造成难熔合。另外，由于黄铜合金的线胀系数及收缩率比铁大1倍以上，因此焊接时在无拘束条件下易变形。2）热裂纹倾向大。由于黄铜中合金元素及有害4 中国航空材料手册编辑委员会中国航空材料手册变形高温合金M北京：中国标准出版社，2002.5 李芬，刘泳良，田宏，等钎焊工艺对AgCu28钎焊焊缝偏析的影响J真空电子技术，2018（6）：56-60.202301242023年 第4期 热加工43焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表1铜冷凝器技术参数技术参数壳程管程设计压力/bar5.2/FV6.9工作压力/bar0.101/0.14.03设计温度/386120工作温度/232253介质名称水-碳氢化合物-空气冷却水主要受压元件材料SA-516 Gr.60N+HIC（筒体）SA-266 Gr.1N+HIC（锻管）SB-111C44300(smls.)（换热管)SB-171 C46400（管板）SA-516 Gr.60N+HIC（筒体）SA-266 Gr.1N（锻件）腐蚀余量/mm3（碳素钢）3（碳素钢）容积/m3229.6水压试验压力/bar8.978.97焊接接头系数1.00.85换热面积/m21778 注：1bar105Pa。杂质的作用，焊接时易形成低熔共晶体和脆性化合物，易产生偏析，使接头产生热裂纹。3）气孔倾向严重。黄铜合金在焊接时产生气孔的倾向要比钢焊接严重得多，其原因如下：一是铜的导热性好，焊接熔池凝固速度快，液态熔池中气体上浮时间短，来不及逸出；二是溶解性气体氢直接引起的扩散性气孔；三是高温时铜与氧亲和力较大，氧化还原反应引起的反应气孔。黄铜合金焊接的气孔以后两者较为常见。4）接头性能下降。在焊接过程中的热作用下,图2浮头盖与浮头法兰焊接结构晶粒长大严重，杂质和合金元素的掺入、有用合金元素的氧化，以及各种脆性的低熔共晶体出现于晶界或产生脆性相，使接头的塑性、韧性、导电性、耐蚀性等显著下降1。5）由于锌的沸点较低，仅为907，故焊接过程中极容易蒸发，这一点成为黄铜合金焊接的最大问题，熔池流动性为钢的11.5倍，表面成形差，焊前预热温度为200400。3 焊接方法的选择根据黄铜合金特性和产品焊接特点，考虑采用钨极氩弧焊（TIG焊）和熔化极气体保护焊（MIG焊或MAG焊）两种焊接方法。氩弧焊主要应用于防冲支耳与管板的焊接，熔化极气体保护焊主要用于浮头盖与浮头法兰焊接，焊接结构如图2所示。表2C46400黄铜合金化学成分（质量分数）（%）元素CuZnSnPbFe标准值59.062.0余量0.51.00.200.10实测值61.81余量0.760.130.082表3C46400黄铜合金力学性能检验项目抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率（%）标准值34514035实测值409160374 焊接试验4.1 技术攻关试验方案在焊接工艺评定试板焊接之前，采用钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊两种焊接方法对C46400黄铜合金进行焊接技术攻关。4.2 技术控制措施在了解黄铜合金的焊接特性基础之上，采取以下技术控制措施。1）焊前需将C46400黄铜合金待焊坡口面及焊缝两侧30mm范围内的水、油污及氧化膜等清理干净。2）焊接前需采取200400的预热。3）焊接过程中要始终保持坡口面及焊道表面的清洁度，做到每焊一道都用不锈钢钢丝刷等工具进2023年 第4期 热加工44焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g行清理，去除锌蒸发产生的烟尘及一些非金属氧化物等，以防止夹渣、气孔等缺陷的产生。4）焊后应立即保温缓冷。4.3 钨极氩弧焊焊接试板采用14mm 的C46400黄铜合金，坡口形式如图3所示。焊丝采用匹配的黄铜焊丝和硅青铜焊丝做工艺性能对比，焊丝化学成分见表4。焊丝直径均为3.2mm，保护气体为氩气，纯度99.99%，焊再次对焊接参数进行了优化调整，焊前预热图4TIG焊试板外观成形图6优化参数后TIG焊试板外观成形图5TIG焊试板RT底片 表4焊丝化学成分（质量分数）（%）型号/标准CuZnSnMnSiPbAlFeRBCuZn-A/AWS A5.8标准值57.061.0余量0.251.00.050.01实测值60.0余量0.270.030.008ERCuSi-A/AWS A5.7标准值余量1.01.01.52.8-4.00.020.010.50实测值96.000.180.0020.862.960.020.0070.04接电流为250270A，电弧电压为1618V，焊接速度为1.52.0mm/s。当采用匹配的黄铜焊丝RBCuZn-A时，因焊接材料和母材均含有Zn元素，试验证明，焊接时熔池炸开现象严重，蒸发的Zn在空气中立即被氧化成ZnO，形成大量白色的烟雾，对焊工健康尤为不利。采用硅青铜焊丝ERCuSi-A时，首次试验采取加温200，收弧处出现细裂纹，经打磨去除，但RT检测出现了整道密集型气孔和少量未熔合缺陷，如图4、图5所示。初步分析是预热温度不够，熔池结晶快，气体来不及逸出，加之Zn的蒸发等因素造成的。260以上，焊接电流为260280A，焊接速度为1.82.2mm/s，同时采用大喷嘴孔径来增加保护气体流量。为了减少Zn的蒸发，操作时将填充焊丝与焊件“短接”，在填充焊丝上引弧和保持电弧，电弧直接作用到母材上，焊缝成形美观（见图6），并通过了RT检测。图3TIG焊坡口形式4.4 熔化极气体保护焊焊接试板采用26mm 的C46400黄铜合金，坡口形式如图7所示。在TIG焊经验的基础上，直接采用硅青铜焊丝ERCuSi-A、1.6mm，焊机设置MAG焊模式，纯氩气保护，无脉冲，采取焊前加温到280300，焊接电流为220230A，电弧电压为2627V，焊接速度为3.54.0mm/s。焊接时出现了飞溅严重、成形差，弧坑有裂纹、电弧不稳及送丝不畅通（主要是送丝软管原因）等现象。外观成形如图8所示。再次试验，焊机设置为MIG焊模式，打开脉冲，送丝软管更换为特氟龙材质，焊接电流调整为180190A，电弧电压调整为2428V，保护气体采用50%Ar+50%He和70%Ar+30%He两种方式。与2023年 第4期 热加工45焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g之前对比，电弧的穿透力、挺度较好，成形明显改善，飞溅减小，因为更换了导丝管，解决了送丝不畅的问题，并且通过了RT检测，试验证明50%He和30%He差别不大。外观成形如图9所示。4.5 焊接工艺评定试验（1）工艺评定标准 掌握了C46400黄铜合金的焊接参数和措施后，根据产品要求，按照ASME IX卷锅炉及压力容器规范-焊接、钎接与熔接评定的有关规定，采用TIG和MIG两种焊接方法进行焊接工艺评定试验。评定试板材质：C46400黄铜合金；试板厚图9MIG焊试板外观成形b）MIG焊坡口图10评定试板坡口形式a）TIG焊坡口表5 两种焊接方法的焊接参数焊接方法焊道层次焊丝牌号焊丝规格/mm焊接电流/A电弧电压/V电源极性焊接速度/（mm/s）保护气流量/（L/min）TIG打底ERCuSi-A3.226016DCEN1.820填充ERCuSi-A3.227017DCEN2.020盖面ERCuSi-A3.228018DCEN2.220MIG打底ERCuSi-A1.617524DCEP3.5Ar：12；He：5填充ERCuSi-A1.619028DCEP4.5Ar：12；He：5盖面ERCuSi-A1.618026DCEP4.0Ar：12；He：5图8MAG焊试板外观成形图7MAG焊坡口形式度：TIG焊14mm，MIG焊38mm；试板坡口形式如图10所示；焊接位置：1G（平焊）；焊丝牌号：ERCuSi-A；焊丝规格：TIG焊3.2mm，MIG焊1.6mm；焊接保护气体：TIG焊100%Ar，MIG焊70%Ar+30%He（Ar和He纯度99.99%）。在两种焊接方法的评定试板焊接完成后，按照ASME IX卷 QW-144要求进行焊缝外观检查，并按ASME IX卷 QW-191要求对试板进行100%射线检测。焊缝外观检查及射线检测合格后，按ASME IX卷工艺评定标准和产品技术条件要求进行力学性能检测。（2）焊接参数 C46400黄铜合金评定试板焊前预热，TIG焊试板预热温度260，MIG焊试板预热温度280；道间温度400，焊后立即保温缓冷。两种焊接方法的焊接参数见表5。（3）焊接工艺评定结果 两种焊接方法的评定2023年 第4期 热加工46焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g试板射线检测为级合格。力学性能试样如图11所示，试验结果见表6。所有力学性能试验均符合有关标准和产品技术条件要求。表6焊接工艺评定力学性能试验结果焊接方法拉伸试验/MPa弯曲试验（D4a，180）结论TIG402、4064件，无缺陷合格MIG388、3934件，无缺陷合格5 不同热处理状态下的性能对比为进一步研究黄铜合金焊接接头在不同热处理状态下的性能，采用3种不同的热处理方式，分别为焊后不热处理、低温去应力退火和再结晶退火，然后观察黄铜合金焊接接头组织、硬度和力学性能变化。5.1 低温去应力退火 锌含量较高的黄铜合金，其冷变形产品应进行去应力退火处理，以消除变形过程中产生的残余应力，防止自裂。去应力退火温度一般在280左右。成分复杂的黄铜合金在370390，保温时间视具体情况而定。低温去应力退火一般在空气炉中进行，退火后空冷。5.2 再结晶退火再结晶退火的目的是消除加工硬化、恢复塑性和获得细晶粒组织。一般根据经验，大多黄铜合金的再结晶退火在600700之间选择，保温时间可按下列经验公式确定2，即t30A（D2）式中 t保温时间（min）；A加热系数，一般取4min/mm；D零件的有效厚度（mm）。黄铜合金退火后的冷却方式对性能影响甚微，水冷或空冷均可，冷却速度较快时，硬度偏高。若要求塑性高则应空冷，反之，若为了改善切削性能要求较高的硬度，则应水冷。5.3 试验方案本次试验目的是为研究黄铜合金焊后在不同热处理状态下的力学性能，因此仅有一个变量，即为热处理状态，其余均为定量。焊接方法为熔化极气体保护焊，试板材料为C46400黄铜合金，厚度14mm（坡口形式见图3），保护气体混合比例、流量及焊接材料均和前述MIG焊接工艺评定试板相同，采用同一规范和技术措施焊接3块试板。焊接完成后试样1不热处理，根据上述对黄铜合金热处理的介绍，试样2进行低温去应力退火处理，工艺为（35014）/60min，试样3进行再结晶退火处理，工艺为（65014）/80min，冷却方式均为空冷，然后观察其组织、硬度和力学性能变化。5.4 试验结果3个试样焊接完成后，进行了各项工艺性能试验，具体试验结果见表7，3个试样的金相显微组织如图12图14所示。由图12可知，试样1焊缝相呈枝晶状，有少量析出物，晶粒粗大；热影响区相有少量析出物；母材呈孪晶分布的相，有少量点状物析出。由图13、图14可知，焊缝为相，有少量析出物，晶粒粗大；热影响区相有少量析出物；母材呈孪晶分布的相，有少量点状物析出。从上述试验结果可知，力学性能、硬度检测数据均能达到并满足技术条件要求，对比抗拉强度与硬度的数值可知，热处理后强度与硬度值均存在一定的降低，从侧面反映焊接接头的应力集中得到了一定的改善。6 产品焊接的技术措施TIG焊仅用于支耳与管板的焊接，焊接工作量小，本文不作为重点描述，浮头盖与浮头法兰的焊接是整个项目焊接的难点与重点，采用MIG焊，因此主要介绍浮头盖与浮头法兰的焊接所采取的技术a）TIG焊拉伸试样 b）TIG焊侧弯试样 c）MIG焊拉伸试样 d）MIG焊侧弯试样图11TIG焊和MIG焊力学性能试样2023年 第4期 热加工47焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表7力学性能试验结果项目拉伸试验弯曲试验硬度试验HV5抗拉强度/MPa断裂部位侧弯（4件）母材热影响区焊缝试样1380母材合格84、94、8492、93、10189、86、94385母材合格试样2370母材合格77、82、8091、85、9282、84、81365母材合格试样3365母材合格75、70、8090、91、8675、80、81355母材合格a）焊缝 b）热影响区 c）母材 图12试样1金相组织a）焊缝 b）热影响区 c）母材 图13试样2金相组织a）焊缝 b）热影响区 c）母材 图14试样3金相组织2023年 第4期 热加工48焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图16焊前预热图17产品焊接焊透。产品焊接如图17所示。措施。（1）焊接环境 室内相对湿度不超过50%，保持焊接区域环境清洁无灰尘。（2）焊前清理 浮头盖待焊坡口面及焊缝两侧30mm范围内的水、油污及氧化膜等需进行清理。（3）焊前预热 将浮头盖与法兰组焊好，放在变位器上，用固定工装压紧浮头法兰（见图15），根据封头大小做整圈的火圈，预热到280以上（见图16）。采用远红外测温仪测量工件温度，若低于工艺要求温度，应加热到规定温度值再焊接，若高于道间温度，应适当将预热火焰调小。图15固定工装（4）过程控制 调整变位器旋转速度与工艺焊接速度相同，焊接工艺与评定值相同，可以根据焊件厚度进行微调，但不能超过评定允许的热输入；尽量压低电弧，多层多道焊，一条焊缝应尽量一次焊完，中途停焊后应立即加热保持预热温度，重新焊接时，应重叠上一焊道1020mm；彻底清除表面污染、夹渣等缺陷；弧坑应填满，接弧处应熔合（5）后热处理 焊后立即进行了保温缓冷，为了防止应力腐蚀破裂，根据前面试验结果，将焊件进行了35060min的炉内低应力退火处理。（6）焊后检测 焊后目测未发现咬边、未熔合、气孔及裂纹等表面缺陷，经100%PT检测，符合ASME-附录8要求。7 结束语1）通过试验和产品焊接，证明C46400黄铜合金焊接所采用焊接材料、焊接参数及焊接措施是正确的。2）为确保C46400黄铜合金焊接质量，采取焊前清理、预热以及焊后立即保温缓冷措施尤为重要。3）通过对C46400黄铜合金焊后采用3种不同热处理方式的性能对比，发现低温去应力退火处理与再结晶退火处理能一定程度上改善C46400黄铜合金焊接接头的力学性能，在一些中厚板的黄铜合金焊接中可以通过低温去应力退火处理或再结晶退火处理来降低焊接接头的应力集中，改善力学性能。4）此次产品焊接成功，为黄铜合金焊接提供了技术储备，增强了市场竞争力，为我公司进军铜制压力容器市场奠定了基础。参考文献：1 范述宁铬青铜爆炸焊接电极平台的开发与应用J新技术新工艺，2012（12）：14-16.2 赵步青铜及铜合金的热处理J五金科技，1999，27（3）：28-30.20230115