紫铜换热器的焊接缺陷及焊接工艺优化

紫铜换热器的焊接缺陷及焊接工艺优化摘要分析研究紫铜换热器的结构特点、性能、焊接缺陷与产生原因,以及防止与消除其缺陷、优化制造施焊质量的工艺措施。为提高焊接一次合格率,总结出若干优化措施及注意事项。紫铜换热器的结构特点及焊接性分析工业生产设备中应用的铜及铜合金,通常分为紫铜、黄铜、青铜和白铜四大类。紫铜是含铜量不低于995%的工业纯铜,广泛用于制造电工器件、电线电缆、热交换器等。紫铜有较高的加工硬化性能,经过冷加工变形,强度可提高1倍,而塑性降低数倍。加工硬化后的紫铜可通过退火恢复其塑性,退火温度为550～660℃。焊接结构一般采用软态紫铜,同时对紫铜的杂质含量如氧、硫、铅、铋等控制在规定值以内。我国生产的工业用紫铜牌号有:一号铜、二号铜、三号铜、四号铜(Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4)以及无氧铜。紫铜的主要物理性能及力学性能见表1。铜及铜合金的焊接性均较差,接头性能如力学性能、导电性能及耐腐蚀性能均有所降低,焊接时低熔点合金元素蒸发,气孔敏感性较高,易产生裂纹、未焊透、未熔合等缺陷。制作设备用的紫铜焊缝及热影响区晶粒易粗大,接头强度尤其是伸长率、冷弯角下降明显。根据换热器使用要求,必须保证各连接件的严密性与牢固性,不得有过量变形及裂纹等缺陷,否则将导致介质泄漏、加剧腐蚀等严重事故[1]。2换热器制作的主要焊接工艺与优化对策列管式换热器是化工行业应用较多的设备之一。在某些强腐蚀性介质及恶劣的生产条件下,过去大都采用不锈钢等材料制造换热器,事故率高,维修量大,使用寿命很短。而紫铜换热器由于其优良的性能,大大提高了化工生产过程中的适应性与使用寿命。设备制造过程中,焊接所占的比重较大,过去多采用焊条电弧焊,一是效率低,二是难以保证质量,返修率高。实践证明,施工中采用改进后的不预热单面焊双面成形埋弧自动焊和焊条电弧焊结合的方法,制造质量和效率可满足要求。21换热器的技术要求换热器全部采用磷脱氧铜或Ｔ2紫铜制造,主体采用厚度8ｍｍ磷脱氧铜(ＴＵＰ),支座为厚度20ｍｍ的Ｔ2紫铜板,其他部位均采用一定规格的紫铜板或紫铜管。换热器结构示意图如图1所示。设备结构要求焊缝强度不低于母材强度的85%,焊后无裂纹、气孔、未焊透等缺陷,焊后经015ＭＰａ水压试验不允许有渗漏现象。筒体及椭圆形封头在制作过程中若铜板尺寸不够,可先进行平板拼接,然后再卷制或冷压成形,焊接区不允许出现裂纹。22主要焊接工艺与优化措施221焊接方法及焊接材料的选择铜板拼接、筒体纵缝和环缝采用不预热单面焊双面成形埋弧自动焊,焊机为均匀调节式ＮＺＡ-1000埋弧自动焊机,用Ｔ2(Ｔ1亦可)直径4ｍｍ紫铜焊丝和431焊剂。其他焊缝采用焊条电弧焊,焊机是Ａｘｌ-500直流焊机,铜107焊条(焊芯为Ｔ2紫铜制造)。222焊前准备及其组对1)坡口。埋弧自动焊筒节板对接采用Ｖ形坡口,坡口角度为70°～90°,钝边2～3ｍｍ,组对间隙0～2ｍｍ。焊条电弧焊采用双面焊,单Ｖ形坡口,坡口角度60°,钝边4～5ｍｍ。2)引弧板和引出板的使用。主要用于预热、防止焊缝熔合不好、反面焊不透以及防止收尾时铜水流失。引弧板和引出板尺寸为100ｍｍ×100ｍｍ,厚8ｍｍ或10ｍｍ,施工前与工件点固。3)工件的清理和定位焊。焊前铜板接缝的边缘应仔细清除油污和氧化膜。平板拼接和筒体纵缝焊接,采用埋弧自动焊接定位,定位焊缝距离200ｍｍ左右,筒体环缝和局部地方组装后,用铜107焊条电弧焊点固,点固前先预热。4)焊条电弧焊之前工件的预热。焊前对工件进行预热,可大大减少温差和焊接应力,保证焊接质量,板材越厚预热温度越高,预热温度针对板材状况通常取450～750℃(采用氧-乙炔焰加热的方法)。5)焊条焊剂的烘干及焊丝的清理。铜107焊条使用前,应在300℃左右烘干1ｈ,焊丝在卷盘时,要清除油污和锈等脏物[2]。6)反面衬垫。在焊缝反面衬上一层焊剂431,焊剂衬垫厚度约40ｍｍ,宽约80～100ｍｍ。223焊接参数的确定埋弧自动焊焊接参数见表2,焊丝直径4ｍｍ,不预热单面焊双面成形。224埋弧自动焊技术要点1)平板拼接。在工作台上的焊剂垫上进行,先将工件接口处对准焊剂垫中心放置,将工件紧固在工作台上,然后施焊,焊后经冷压成形和卷制。2)筒体纵缝的焊接。采用内焊法,在筒体内部进行焊接,其工艺与平板拼接相同。3)筒体环缝的焊接。在筒体内、外采用托盘式焊剂衬垫及夹紧装置,可顺利施焊和防止焊接过量变形。同时,焊接过程中,为了防止熔化的铜水和熔渣的流失,影响焊缝成形,焊前将焊机机头调到向前30ｍｍ左右,即采用下坡焊,转胎以所需焊接速度旋转,机头位置调好后不再移动[3]。225焊条电弧焊技术要点图2换热器管板接头焊接顺序1)各接管部位的焊接。采用自制三头氧-乙炔焰大烤把,这种烤把不仅缩短了预热时间,而且加热点距离操作者较远,改善了劳动条件。2)支座的焊接。由于铜板厚度较大,先采用烘炉和氧-乙炔焰相结合的方法预热,再予以正式焊接。3)换热管与管板的焊接。铜管与管板接头连接一般用贴胀后焊接。贴胀胀紧率控制在3%～5%,此外,焊接过程中需防止产生过量变形及泄漏问题。施焊时以管板中心为基准,兼顾各个方向划分几个区域,如Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ区,然后按分区Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ(由中心向四周辐向向外焊接,并尽量注意各向的对称性与平衡性)进行焊接。这样管板不易因焊接而发生凸或凹变形。焊接顺序如图2所示(先焊1～12管板接头,再按分区施焊)。2.3其他有关注意事项1)埋弧焊接应选用氧化性较低及氟化物较低的焊剂;无氧氟化物焊剂可获得导电性、导热性与母材相同的焊缝。2)为了细化接头晶粒度,改善接头的力学性能,对受力件或较重要的铜设备必须采用焊后锤击以及后热处理等工艺措施。3)若选用钨极氩弧焊(目前国内应用亦较多),一定注意保护气体的流量与压力,尤其要重视焊缝背面的保护效果。4)焊前通常应预热(埋弧焊热量较大,焊件较薄时可以不预热),预热温度及范围要根据试验结果予以确定,通常控制在200～450℃为宜。5)缺陷返修次数要控制,同一部位一般不得超过2次,否则要经过技术总负责人同意,且采用更加严格的工艺措施,才可进行焊补。6)铜的导热性好,一般需要大功率、高能量的焊接方法。焊接纯铜时,应选用较大的焊接电流和较高的电弧电压,以获得有利的焊缝系数。7)在选用填充焊丝时,要充分考虑基本金属的牌号、板材厚度、设备结构及施工条件等因素,通常采用与母材类型相同的焊丝。8)对于异种铜材的焊接,应尽量减少基材的熔化量,亦可以采用接头在低熔点工作一侧形成熔焊过程,而在高熔点一侧形成钎焊过程的特殊工艺[4]。3换热器焊缝检验为保证换热器焊接质量,所用母材与焊材质是必须达到规定要求,如纯铜和脱氧铜的含氧量必须控制在006%以下,而Ｐ、Ｐｂ、Ｂ、Ｃｒ等易引起裂纹的有害杂质应控制在最低限度。试验及生产实践表明,采用上述工艺及优化措施,可取得满意的效果。设备主要焊接质量和检验结果见表3(其他检验项目略)。紫铜换热器的焊接改进实践表明,只要充分了解、掌握所用材质的基本特性,在施焊制作过程中,根据设备的结构有针对性地采取相应技术措施,严格把好各个施工环节质量关,就可生产出合格的产品。