加熱溫度對(duì)紫銅與不銹鋼異金屬釬焊接頭影響

摘 要：電網(wǎng)儲(chǔ)能冷水機(jī)中涉及釬焊工藝，本文針對(duì)紫銅管與304不銹鋼管釬焊過(guò)程中質(zhì)量難以有效控制的問題，比較了釬焊焊縫的質(zhì)量，并對(duì)加熱溫度和焊后加熱2個(gè)過(guò)程進(jìn)行工藝研究。試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用熱成像儀對(duì)釬焊工藝溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與調(diào)控，重點(diǎn)分析了焊接加熱溫度對(duì)釬角潤(rùn)濕角和氣孔缺陷的影響，并采用X射線探傷機(jī)在不同焊后加熱溫度和加熱時(shí)長(zhǎng)下的焊縫進(jìn)行比較，分析氣孔率與焊后加熱工藝參數(shù)的關(guān)系。研究表明，當(dāng)BAg54CuZnNi銀釬料在700℃～720℃的加熱條件下，并在500℃下進(jìn)行10s焊后熱處理后，可以獲得最佳的釬焊接頭，能夠有效降低焊縫內(nèi)的氣孔缺陷。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究異金屬釬焊的力學(xué)性能和批量化加工焊接異金屬接頭具有重要意義。

關(guān)鍵詞：加熱溫度；異金屬；釬焊

中圖分類號(hào)：TG 174" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電網(wǎng)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展，其配套使用的冷水機(jī)的需求也逐步提升，冷水機(jī)壓縮機(jī)出口不銹鋼管路與銅管的釬焊質(zhì)量也成為影響冷水機(jī)整機(jī)運(yùn)行可靠性的重要因素。

在實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中，銅與不銹鋼的焊縫開裂現(xiàn)象較嚴(yán)重，工藝可靠性較差。在釬焊過(guò)程中，當(dāng)加熱溫度超過(guò)900℃時(shí)，不銹鋼晶粒擴(kuò)展且銅管產(chǎn)生氫脆，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，并且2種母材的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，會(huì)導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形，因此焊縫需能夠有效克服焊接內(nèi)應(yīng)力，目前暫時(shí)沒有釬焊焊接加熱溫度的確定工藝參數(shù)[1]。

本文研究了釬料的選型，并進(jìn)一步分析釬焊加熱過(guò)程的關(guān)鍵工藝參數(shù)，比較了不同工藝參數(shù)下的焊縫金相圖和探傷圖片，研究加熱溫度和加熱時(shí)間等參數(shù)對(duì)焊縫形貌的影響，從而為提高焊縫的質(zhì)量、優(yōu)化焊接參數(shù)和批量化生產(chǎn)焊接異金屬接頭提供理論依據(jù)[2]。

1 異金屬釬焊工藝

從宏觀角度分析，釬焊技術(shù)是加熱母材和釬料，使溫度高于釬料熔化溫度，從而在母材不融化的前提下使液態(tài)的釬料潤(rùn)濕母材表面并充分填充接觸面縫隙，從而形成釬焊縫；從熱力學(xué)角度分析，釬料填充的過(guò)程即是液態(tài)釬料沿母材表面鋪展開，從而排凈接觸面表面氣體，接觸面從固-氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液相的過(guò)程。但是在實(shí)際生產(chǎn)焊接過(guò)程中，異金屬釬焊焊縫的質(zhì)量難以得到有效控制[3]。

冷水機(jī)蒸發(fā)器出口管路為304不銹鋼，需要與T2紫銅管進(jìn)行釬焊，2種母材的物理性能見表1。根據(jù)母材性能差異確定釬料為BAg54CuZnNi，有以下3點(diǎn)原因。1） 銀含量較高，可降低釬料熔點(diǎn)，縮短加熱時(shí)間，對(duì)母材的熱影響較小。2） AgCu釬料共晶點(diǎn)在779℃，加入Zn后，共晶點(diǎn)降至720℃。3） 加入Ni元素可提高釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性，同時(shí)提高不銹鋼接頭的抗腐蝕性。并配合選用QJ112焊膏。與焊粉相比，焊膏能夠起到更好的潤(rùn)濕作用，從而去除母材表面的氧化層，提高釬料的滲透作用[4]。

氧乙炔釬焊工藝流程如下所示。1） 接觸面清潔。針對(duì)紫銅表面的CuO、Cu2O和不銹鋼表面易生成致密的Cr2O3，均應(yīng)去除，不銹鋼側(cè)呈亮白色。2） 涂抹助焊劑。進(jìn)一步去除表面氧化層，同時(shí)提高釬料潤(rùn)濕作用。3） 承插連接。4） 加熱填料。加熱火焰偏向銅管側(cè)，加熱至一定溫度后再融化釬料。5） 焊后加熱。使焊縫區(qū)內(nèi)部氣體在高溫環(huán)境中排出。

在釬焊過(guò)程中應(yīng)注意以下3點(diǎn)。1） 不銹鋼表面致密的Cr2O3氧化層需要使用砂紙鉆頭打磨，直至由啞光色變?yōu)榱涟咨慕饘俟鉂?，如圖1、圖2所示。2） 打磨后需要在較短時(shí)間（推薦不超過(guò)60s）內(nèi)進(jìn)行焊接作業(yè)，防止新生成致密的氧化膜。3） 通過(guò)工裝控制承插間隙為0.2mm～0.4mm，間隙不宜過(guò)大，以保證較好的潤(rùn)濕性。

2 異金屬釬焊試驗(yàn)

在釬焊過(guò)程中，焊縫的成型質(zhì)量與釬焊加熱溫度、焊后熱處理時(shí)間和溫度有較大關(guān)系，優(yōu)化加熱填料溫度、焊后熱處理溫度和時(shí)間，可在較大程度上減少焊縫缺陷。

焊后異金屬接頭管件的殘余應(yīng)力是判斷管件焊接質(zhì)量的重要因素。焊接工序結(jié)束后，在銅管上距離焊接接頭50cm～100cm位置X1處標(biāo)記并進(jìn)行切割，自然冷卻后，代入公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

（1）

式中：δ為異金屬釬焊管件殘余應(yīng)力；K為銅管的彈性模量；a為泊松系數(shù)；m為銅管厚度；X1為冷卻前的銅管直徑；X2為冷卻后的銅管直徑。

2.1 加熱填料

在加熱填絲過(guò)程中，應(yīng)集中加熱不銹鋼管側(cè)，當(dāng)銅管側(cè)溫度滿足要求時(shí)，再適當(dāng)加熱不銹鋼觀側(cè)，原因?yàn)橐韵?點(diǎn)。1） 由焊料的填充方式可知，如果加熱不銹鋼管側(cè)，熱量需要通過(guò)不銹鋼熱傳遞至銅管，使銅管表面達(dá)到焊料融化的溫度，這樣回導(dǎo)致加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不銹鋼管易出現(xiàn)過(guò)燒。2） 不銹鋼管的散熱速率遠(yuǎn)小于銅管，如果加熱不銹鋼管，使其溫度滿足焊接要求，此時(shí)溫度高于焊條的熔點(diǎn)，不銹鋼管溫度長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高于焊料熔點(diǎn)，不利于液態(tài)焊料凝固填充縫隙。

BAg54CuZnNi釬料焊絲的熔點(diǎn)約為650℃，加熱銅管至660℃、680℃、700℃、720℃和740℃，比較其焊縫的釬角潤(rùn)濕角θ和內(nèi)部氣孔。在此過(guò)程中利用FLIR T660手持式熱成像儀檢測(cè)加熱溫度，再通過(guò)金相試驗(yàn)（放大50倍）比較內(nèi)部焊縫。

母材為TP2銅管和304不銹鋼，加熱時(shí)間為15s。各加熱溫度下的焊縫外形基本一致。各溫度下對(duì)應(yīng)的金相圖（放大50倍）見表2。

由金相圖對(duì)比可知，當(dāng)溫度逐步上升時(shí)，釬料填充量呈現(xiàn)先增大、后變小的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為660～700℃時(shí)，釬角潤(rùn)濕角θ均＜20°，填充效果較好。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，潤(rùn)濕角逐步增大，釬角位置釬料填充量變小。比較內(nèi)部缺陷金相圖，當(dāng)溫度逐步升至700℃～720℃時(shí)，內(nèi)部氣孔逐漸變小，再逐步增加。利用公式（1）可以計(jì)算出焊接溫度為700℃～720℃過(guò)程中，其殘余應(yīng)力最小。

比較上述現(xiàn)象可知，當(dāng)溫度過(guò)低并接近釬料的熔點(diǎn)時(shí)，釬料在滲透入接觸面過(guò)程中，溫度逐步下降，部分釬料即固化形成“圓形”缺陷，并且液態(tài)焊料未抵達(dá)焊縫根部就完全固化，因此焊縫根部呈現(xiàn)“虛焊”缺陷。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，釬料在頂部無(wú)法有效固化，因此釬料填充量較少。進(jìn)而確定使用BAg54CuZnNi銀釬料時(shí)的最佳焊接溫度為700℃～720℃[5]。

2.2 焊后加熱

針對(duì)焊縫成型區(qū)域內(nèi)部存在“氣孔”缺陷的現(xiàn)象，本文從宏觀角度進(jìn)行分析。釬焊孔是由釬料在結(jié)晶過(guò)程中氣體效應(yīng)產(chǎn)生的孔缺陷。在高溫環(huán)境中，釬料中的Zn和助焊劑均容易汽化，產(chǎn)生氣體并進(jìn)入熔池，同時(shí)在高溫火焰的加熱條件下，空氣中的水分、油污和可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的氫氣等溶于高溫熔池中。在快速冷卻過(guò)程中，氣孔來(lái)不及溢出，殘留在焊縫成型區(qū)域內(nèi)部，屬于體積形缺陷，影響焊縫的力學(xué)性能，尤其是彎曲和沖擊強(qiáng)度。本文采用焊后加熱處理工藝，以優(yōu)化其內(nèi)部氣孔缺陷[6]。

改變焊后的加熱時(shí)間t和加熱溫度T，通過(guò)比較焊縫氣體缺陷的表面覆蓋率，確定最佳的焊后加熱工藝參數(shù)。焊縫探傷選用DR便攜式X射線探傷機(jī)。

焊接后如果不進(jìn)行加熱處理，其氣孔率約為34%，滿足國(guó)標(biāo)GB∕T33219—2016《硬釬焊接頭缺欠》評(píng)判等級(jí)D的要求，X射線探傷結(jié)果如圖3～圖5所示，左側(cè)為T2紫銅管，外徑為15.88mm。

將探傷圖片導(dǎo)入CAD軟件中，將黑色陰影部分首尾相連形成封閉區(qū)域，從而導(dǎo)出陰影部分的面積A。焊接面積求解方法相同，從而求得面積B，再計(jì)算A/B的出氣孔率，如圖6所示。

當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，氣孔率的占比先降低、后升高。當(dāng)加熱溫度為400℃時(shí)，其平均氣孔率為31.9%。升至500℃時(shí)，其平均氣孔率降至5.2%，滿足GB∕T33219—2016《硬釬焊接頭缺欠》等級(jí)B的國(guó)標(biāo)要求。繼續(xù)將加熱溫度提升至600℃，其氣孔率升至37.8%。由于加熱溫度過(guò)高，因此內(nèi)部已經(jīng)固化的鋅和助焊劑二次汽化，從而導(dǎo)致氣孔率比未進(jìn)行熱處理時(shí)更高。當(dāng)加熱溫度過(guò)低時(shí)，釬料基本處于固體狀態(tài)，氣體無(wú)法有效排出。

比較加熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)氣孔率的影響。隨著加熱時(shí)間增加，在3個(gè)加熱溫度下，該影響基本呈先降低、后升高的趨勢(shì)。加熱至5s時(shí)，填充的釬料溫度已經(jīng)逐步提升，內(nèi)部氣體逐步溢出。加熱至10s時(shí)，內(nèi)部氣體基本已經(jīng)完全排出，此時(shí)如果繼續(xù)加熱，會(huì)導(dǎo)致已固化的鋅發(fā)生汽化現(xiàn)象。因此加熱時(shí)長(zhǎng)為10s、加熱溫度為500℃較適宜。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了儲(chǔ)能行業(yè)冷水機(jī)、紫銅管和不銹鋼管異金屬釬焊工藝的釬料選型和加熱溫度，明確了釬料型號(hào)和焊接過(guò)程中的2個(gè)焊接溫度，有效提高了焊縫質(zhì)量。進(jìn)行紫銅管與304不銹鋼管釬焊時(shí)，選用BAg54CuZnNi銀釬料可降低焊接溫度和共晶點(diǎn)，并提高不銹鋼接頭的耐腐蝕性和潤(rùn)濕效果。2） 在加熱填料過(guò)程中，溫度應(yīng)控制在700℃～720℃，可獲得較優(yōu)的釬角潤(rùn)濕角，避免焊縫底部虛焊缺陷，并降低內(nèi)部氣孔，殘余應(yīng)力也最小，約為42.6MPa～49.5MPa。3） 焊后加熱溫度應(yīng)控制在約500℃，加熱時(shí)長(zhǎng)為10s，可提高焊接質(zhì)量，使氣孔缺率降至5.2%以下，以提高釬焊強(qiáng)度。

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通信作者：楊浩（1995-），男，江蘇南通市人，碩士研究生，工藝工程師，研究方向?yàn)閮?chǔ)能冷水機(jī)金屬焊接和防護(hù)工藝。

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