高压黄铜管道焊接工艺改进

杨毅坤　韩文庆

摘 要 在高压黄铜管道焊接施工过程中，对于使用氧-乙炔焊接出现的缺陷如气孔、夹渣、氧化等问题，不断改进焊接方法，经过多方面试验后，采用氩弧焊工艺并应用自制混合气体作为保护气的焊接方法取得成功。

关键词 黄铜 管道 焊接

中图分类号：TG113 文献标识码：A

0前言

GB 16912-2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中明确规定，压力>10MPa的氧气管道如氧气充装台、汇流排必须采用铜及铜合金材质或镍及镍基合金管道。管道施工验收时，压力>4.0MPa的管道焊缝应采用射线检测，采用水压试验时，要求射线照相比例100%，焊缝质量等级不低于Ⅱ级。我们气体厂主要是生产各种气体，铜及铜合金材质在我厂的设备及管道使用量非常广泛。

1焊接作业过程

新施工的高压氧气充装管道采用的是H62黄铜管材，管道铺设施工过程中，焊接工作是非常重要的一个环节。

1.1黄铜材质的分析

特性：普通黄铜，H62（即四六黄铜）有良好的力学性能，热态下塑性好，冷态下塑性也可以，切削性好，易钎焊和焊接，耐蚀，但易产生腐蚀破裂。是应用广泛的一个普通黄铜品种。

1.2主要物理参数

2焊接过程和分析

2.1氧-乙炔焊接

在施工最初时，黄铜管道焊接是按照中冶京城工程技术有限公司提供的《氧气管道施工说明》采用氧-乙炔焊接。焊接选用与母材同材质3mm直径焊丝，施焊前对坡口两侧和焊丝均匀预热，焊接时利用氧气乙炔气混合燃烧生成的火焰为热源，熔化焊件和焊丝使之结合，焊接过称中手工添加硼砂溶剂，焊后进行热处理以消除应力。采用这种焊接工艺的焊缝射线照相结果显示（见图1），焊缝内部气孔较多，焊缝质量达不到Ⅱ级，同时肉眼可见焊缝的表面覆着了一层白色物质。

分析这些缺陷形成的原因，在气焊过程中，被加热的熔化金属与周围空气中的氧或火焰中的氧化合生成氧化物，即便是使用了溶剂，也不能完全隔绝空气，不能完全杜绝氧化反应的发生，使焊缝产生气孔和夹渣等缺陷。H62黄铜合金中含有62%左右的铜和35%左右的锌，焊接过程中，金属锌氧化生成白色的氧化锌，使得焊缝看起来表面覆着了一层白色物质，氧化物的生成使焊缝处的金属材质发生了变化，其金属强度耐压能力也必然随之变化，基于上述原因，现场施工没用采用气焊工艺。

2.2氩弧焊（纯氩气保护）

为有效防止焊区氧化，提高焊缝质量，现场决定采用氩弧焊工艺进行焊接试验。

氩弧焊是使用氩气作为保护气体的电弧焊接技术，氩气比空气密度大，可在电弧周围有效形成保护区，防止空气侵入焊接区，从而保护熔池金属不与空气作用反应，杜绝氧化。氩气化学性质不活泼，高温下也不和金属发生反应，也不溶于液态金属，因此，氩气可以避免焊缝中合金元素的烧损和由此带来的其它焊接缺陷。

现场焊接采用逆变直流TIG焊接电源，调节焊接电流120A左右，选用纯度≥99.99%的纯氩气为保护气对黄铜管进行焊接，焊后进行热处理。氩弧焊的焊缝表面也覆着了一层白色氧化锌，射线照相结果显示（见图2）：焊缝内部有少量气孔，并有未焊透、未熔合的缺陷。

分析焊缝缺陷出现的原因，黄铜的导热系数大（106 W/m.K），熔化时表面张力小，流动性大，在黄铜的焊接过程中，因为铜导热快，电弧加热到母材上的热量很快就被导走，电弧热量的散失，使得电弧的燃烧和熔池温度稳定性变（下转第135页）（上接第131页）差，从而容易出现未焊透和未熔合的缺陷。同时使用氩弧焊焊接温度高，高温阶段停留时间长，锌的沸点低，焊接过程中很易蒸发，使焊缝产生气孔，同时蒸发的锌与氧结合成氧化锌覆着在了焊缝表面。基于上述原因，现场施工也没有采取纯氩保护焊接工艺。

2.3采用混合气体保护

氦气也是无色无味的惰性气体，也不和其它元素形成化合物，不溶于金属。与氩气相比，氦气的电离势高，氦保护的电弧电压明显比氩保护高，所以氦保护的温度高，发热大且集中。同时氦的热传导系数大，有利于向被焊区输热，所以在同等电流和弧长条件下，氦保护弧焊的速度要明显快于氩弧焊，且可获得熔深较大的窄焊道，热影响区也明显减小，它更适于焊接铜、铝、镁等导热性好的金属。

如何在焊接中结合氩弧焊和氦气保护焊的优势而避免各自的缺点，取得高质量焊缝？由相关资料中查得“氩氦混合气用不同的组合可以提高TIG焊和MIG焊的电弧电压和热量，而保持氩气的有利特性，特别适合于焊缝质量要求很高的场合。氦气的加入量至少应在20%以上才能产生和维持稳定喷射电弧的效果。”现场使用不同配比的氦氩混合气取代纯氩气分别进行焊接试验，然后由射线照相结果对比焊缝质量，最终使用3：7比例的氦氩混合气焊接的铜管焊缝质量等级达标，如图3。

由于氦气的加入，氦氩混合气较之纯氩弧焊电弧温度高，向焊区导热快，母材升温快，焊接速度快，黄铜中锌的沸腾外翻较不明显。30%氦气的加入量使氦氩混合气的密度略微大于空气密度从而保证了有效的屏蔽保护效果，有效保证了高质量焊缝的形成。大于3：7氦氩配比混合气的密度小于空气密度，不能保证良好的保护效果，焊缝中气孔较多。小于3：7的氦氩配比混合气电弧燃烧及导热效果均不及3：7比例混合气，焊接速度相对较慢，也容易产生焊接缺陷。试验成功后，现场施工采取了氦氩混合气体保护焊的工艺对氧气管道的焊口进行焊接，经射线照相检测，合格率达到98%。

3结论

黄铜材质的压力管道尤其是高压管道焊接时，由于施工对焊缝质量要求较高，采取氦氩混合气体保护焊接工艺比传统的气焊和纯氩保护焊更能获得高质量焊缝，满足施工要求。节约大量的人力和财力。

参考文献

[1] 徐越兰，等.常用焊接材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.