黄铜换热器管头焊接工艺研究_芦娅妮

1、第 43 卷第 6 期当 代 化 工Vol.43，No.62014 年 6 月Contemporary Chemical IndustryJune，2014黄铜换热器管头焊接工艺研究芦娅妮 1，高 磊 1，张莹莹 1，纪 强 2（1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001;2. 抚顺化工机械设备制造有限公司, 辽宁 抚顺 113000）摘 要：针对黄铜换热器管头焊接工艺进行研究，采用宏观检验、金相组织观察、硬度测试等方法来表征焊接接头的质量。探讨黄铜换热管头的焊接工艺,并通过对焊缝、母材、管材及热影响区组织的金相分析,找出比较合理的黄铜换热器管头焊接工艺方案。关 键 词：黄

2、铜；焊接工艺；金相组织；硬度测试中图分类号：TG 113文献标识码： A文章编号： 1671-0460（2014）06-1035-04Study on Welding Technology of Brass Heat Exchanger Tube and ShellLU Ya-ni1，GAO Lei1，ZHANG Ying-ying1，JI Qiang2（1. Department of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China； 2. Fushun Chemical Machi

3、nery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Liaoning Fushun 113000，China)Abstract: The welding process of brass heat exchanger tube and shell was studied; the welding quality was tested by macroscopic examination, microstructure observation and hardness test. Through metallographic analysis of welding sea

4、m, base metal, pipe material and organization at heat-affected zone, reasonable welding process scheme of the brass heat exchanger tube and shell was determined.Key words: Brass; Welding; Microstructure; Hardness test一般情况下，换热器都是用金属材料制成的，由于黄铜是铜锌合金，而锌的燃点为 420 ，其中低压换热器是用碳素钢和低合金钢制造的；不沸点很低，通常为为 906 ，所以在焊

5、接过程中锌锈钢不但可以用于不同的耐腐蚀条件，奥氏体不锈元素极易蒸发，这是黄铜焊接中的一个重大问题。钢还可作为耐高温和耐低温的材料；铜、铝和铜-（2）难熔合和易变形铝合金常用于制造低温换热器，高温条件下则用镍黄铜焊接时容易出现难熔合、坡口焊不透和表合金；非金属材料不但可以制作垫片零件，而且有面成形差的外观缺陷。主要由于黄铜的导热性极强，些已经用于制作耐蚀换热器，如玻璃换热器、石墨其热导率比普通碳钢大 710 倍，焊接时热量迅速换热器等。本课题研究的主要是黄铜换热器管头的从加热区传导出去。同时由于黄铜的导热性好，使焊接1，关于材质的选择，黄铜板用 HSn70-1B，黄得焊接热影响区变宽，故在焊件刚

6、度较小时，容易铜管则选择 HSn62-1。一般不锈钢作换热管，不耐产生较大的变形，在刚度较大时，会在焊件中产生腐蚀，点蚀最为严重。腐蚀导致换热器的壁厚减薄，很大的焊接应力4。时间长会导致换热管出现泄漏，影响工艺运行。腐（3）易产生热裂纹蚀后也会产生一些杂质，堵塞列管，减少换热面积，黄铜的线胀系数很大，由液态转变为固态时的影响换热效果，因此选择黄铜材料。黄铜2具有强收缩率较大。对于刚性大、硬度高的焊件，由于内度高、硬度大、耐化学腐蚀性强等特性，并且有较应力增大，易在焊接焊缝和热影响区产生裂纹等焊强的耐磨性能和良好的切削加工性能，所以在工业接缺陷。特别是黄铜的铸件补焊后，在湿气、氨或中被广泛应用。

7、海水中使用时，较大的内应力常促使其产生裂纹，1 黄铜的焊接性与焊前准备容易形成“自裂”现象。（4）易产生气孔黄铜基于其自身的组成成分以及外部环境的黄铜在液态时易吸收氢气，熔池结晶过程中氢影响，造成它的焊接性较差3，主要原因是：还来不及析出，在冷却后就有气孔出现。故黄铜的（1）析出有害气体多焊接性不良，焊接时会产生气孔、裂纹、锌的蒸发收稿日期： 2013-12-09作者简介： 芦娅妮（1987-），女，甘肃庆阳人，在读硕士研究生，研究方向：新型高效节能石化装备的研究与开发。E-mail:。通讯联系人：张莹莹（1981-），女，讲师，研究方向：主要从事材料热加工及焊接方

8、向研究。E-mail：zyy_。1036当 代化 工2014 年 6 月和氧化等问题5。（HS222）、硅黄铜焊丝 HSCuZn-4（HS224）。这些1.1黄铜的焊接方法及工艺要求焊丝含锌都较高，故焊接时烟雾较大。亦可用青铜（1）钨极氩弧焊的工艺要求6焊丝 HSCuSi（HS211）、HSCuSn（HS212）。手工钨当采用手工钨极氩弧焊时，焊丝采用锡黄铜焊极氩弧焊焊接黄铜焊接参数见表 1。丝 HSCuZ-1（HS221）、铁黄铜焊丝 HSCuZn-2表 1 手工钨极氩弧焊焊接黄铜的焊接参数Table 1 The welding parameters of brass of

9、 argon tungsten arc welding材 料板厚/mm坡口形式钨极直径/mm电源种类及极性焊接电流/A氩气流量/预热温度/（Lmin-1）普通黄铜1.2端接3.2直流正接1857不预热锡黄铜2V 型3.2直流正接1807不预热由于锌的蒸发，从而破坏了氩气的保护效果，所以焊接黄铜时应选用较大的喷嘴孔径和较大的氩气流量。焊前一般情况下是不预热的，只有焊接厚度大于10 mm的接头和焊接边缘厚度相差比较大的接头时才需预热，后者只预热焊件边缘较厚的部分。电源既可以采用直流正接，也可以采用交流。为了减少锌的蒸发，操作时可将填充焊丝与焊件“短接”，在填充焊丝上引弧和保持电弧，尽可能避免电弧直

10、接作用到母材上，母材主要靠熔池金属的传热来加热熔化。焊接时，应尽可能进行单层焊，接头板厚小于 5 mm，最好可以一次焊完。焊后焊件应加热到300400 进行退火处理，消除焊接应力，以防止黄铜构件在使用时破裂。（2）黄铜气焊的工艺要求黄铜气焊的工艺要求与气焊纯铜基本相同，黄铜中的合金元素锌在 420 时熔化，在 906 时气化蒸发。因此，为了防止锌的氧化烧损，而不会造成力学性能和抗蚀性下降，是气焊黄铜工艺中的突出问题。气焊黄铜常采用采用对接接头，而不用垫板。1.2 黄铜的焊前准备对于钨极氩弧焊来说，对接接头板厚小于 3 mm 时，不开坡口；板厚为 310 mm 时开 V 型坡口，坡口角度为 60

11、70；板厚大于 10 mm 时开 X 型坡口，坡口角度为 6070，为避免未焊透的情况，不能留钝边。根据板厚以及坡口尺寸，对焊接接头的装配间隙在 0.51.5 mm 范围内选取7。（1）焊件表面清理：包括去除油污和去除氧化膜。（2）去除油污：首先，去氧化膜之前，将待焊处坡口及两侧各 30 mm 内的油污，赃物等杂质用汽油、丙酮等有机溶剂进行清洗。其次，用温度为 3040 的 10%NaOH 水溶液清洗坡口的油污，然后用清水冲洗干净，置于质量分数为 35%40%的硝酸水溶液中浸泡 23 min，用清水刷洗干净并进行烘干处理。（3）去除氧化膜：用风动钢丝轮或钢丝刷或纱布打磨焊丝和焊件表面，直到其表

12、面有金属光泽出现。2 实验部分2.1 焊接方法的选择生产中常用的焊接黄铜的方法是气焊，焊条电弧焊和钨极氩弧焊8。由于黄铜本身的特点，所以焊接黄铜需要大功率、高能束的熔焊热源。而在使用气焊工艺时，都会出现变形严重、工作效率低、很难控制接头的焊接质量等情况；同时焊接质量波动大、操作环境较差、焊缝表面成型粗糙。对胀接工艺要求来说，胀管有一定困难。而钨极氩弧焊具有电弧和熔池可见性好、操作方便、易于控制熔池形状及焊缝成形、没有熔渣、无需焊后清理、焊缝成形美观、集中热源、增加熔深，同时也大大降低了气孔的产生、热影响区小、变形小、不影响胀管工等优点。氩气在焊接过程中具有良好的保护作用，可以有效隔绝周围的空气

13、；而且氩气本身还不与金属发生化学反应也不会溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单而且易控制，所以这样为获得较高质量的焊缝提供了良好条件。所以钨极氩弧焊焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法9。钨极氩弧焊是一种全姿势位置焊接方式。通常按操作方法可以分为手工钨极氩弧焊和机械化焊接两种。对于直线焊缝和有规则的曲线焊缝，可采用机械化焊接。而对于不规则的或较短的焊缝，则采用手工钨极氩弧焊，通常情况使用较多的是直流手工钨极氩弧焊。因此，综合考虑本试验采用手工钨极氩弧焊10。2.2 实验材料的选择2.2.1 焊接母材的选用试验选用机械加工的黄铜板 HSn62-1，黄铜管HSn70-1B。

14、板子尺寸 200 mm300 mm8 mm，管第 43 卷第 6 期芦娅妮，等：黄铜换热器管头焊接工艺研究1037子尺寸 25 mm2 mm6 000 mm。黄铜板 HSn62- 1 的技术要求如表 2。表 2 母材的技术要求Table 2 The technical requirements Of The parent material项目抗拉强度/MPa延伸率,%规格/mm制造方法HSn62- 1405 /415端接 32 /32长 300, 宽轧制200 厚 8. 00HSn70- 1B390 /39544 /44直径 25,壁厚拉制2,长 6 0002.2.2 焊丝的选择手工钨极氩弧焊

15、打底所选用的焊丝，除焊接采用的填充焊丝应依据与母材成分相匹配的原则来选择外，还必须要满足机械性能的要求和良好的可操作性，并且不产生气孔、夹杂、咬边、未熔合、未焊透等焊接缺陷11。使用焊丝 HS211(硅青铜)打底时，焊缝成型好，易于手工操作，气孔很少，焊缝质量容易保证。故无论从焊接工艺试验的机械性能，还是现场手工焊接操作性上可以看出，选 HS211(硅青铜)焊丝是最好的。2.3 焊接的工艺参数黄铜焊接选择手动钨极氩弧焊，根据其参数进行选择焊接电流，电压，焊接速度，焊接层数，气体流量等12,13。（1）焊接电流的选择焊接电流通常根据工件的材质、厚度和接头空间位置来选择。（2）电弧电压的选择电弧电

16、压增高焊缝宽度增加，熔深减小。电弧太长电弧电压过高时，容易引起为焊透及咬边，而且保护效果不好。但电弧也不能太短，电弧电压过低、电弧太短时，焊丝给送时容易碰到钨极引起短路，使钨极烧损，还容易夹钨，故通常使弧长近似等于钨极直径。（3）焊接速度的选择14焊接速度增加时，熔深和熔宽减小，焊接速度过快时，容易产生未熔合和未焊透，而早焊速过慢时，焊缝会变宽，同时还可能产生“焊漏”、烧穿等情况。因此，综合考虑这几种条件后，选择黄铜焊接的参数如表 3。表 3 黄铜的焊接参数Table 3 Brass welding parameters试样号电压/V电流/A焊接速度层气体流速保护气体/(mmmin-1)数（/

17、Lmin-1）1号141308019Ar2号141308019Ar3 实验结果分析3.1 焊后的宏观检验根据以上的数据焊接黄铜管板，得到的焊接试板如图 1：板子尺寸 2003008，管子尺寸 252 6 000，填一层, 单位:mm。图 1 黄铜管板焊后宏观形貌Fig.1 The brass plate welding macro morphology经宏观检验15,即外表观查检验发现，焊缝表面成形美观，焊缝宽度均匀，接头过渡良好，未出现表面缺陷，如裂缝、气孔、缩孔、未熔合、未焊透、连续咬边等。根据焊缝标准检验合格。3.2 焊后的微观检验宏观检验合格后可进行微观金相检验16，利用线切割进行切割

18、，切割后进入试样的金相检验阶段。接下来进入试样的金相检验阶段，将已经准备好的试样在粗砂轮上磨平，等到磨痕均匀一致后，再在细砂轮上继续研磨，为了使金属的组织不会因受热而发生变化，磨的时候必须用水冷却试样。经砂轮磨好后，洗净并吹干试样，随即依次再在砂纸上磨制，顺序从粗砂纸到细砂纸。再换一次砂纸，试样转 90角与旧磨的方向垂直。试样经过预磨之后，先在抛光机上进行粗抛光再进行精抛光，一直到试样上的磨痕全部除去，表面像镜面为止。试样经精抛后，便可浸入玻璃器皿的浸蚀剂中进行侵蚀。侵蚀的时候，试样可以轻微的移动，但是抛光面不能与器皿底相接触。一般情况下，浸蚀剂采用 4硝酸酒精溶液。由金属的性质、检验的目的和

19、显微检验的放大倍数来决定侵蚀时间，直到在显微镜下清晰显出金属组织为止。试样侵蚀完毕后，迅速用清水洗净，表面两用，酒精洗净，然后再用吹风机将试样吹干。经过抛光的试样可以拿到显微镜下看焊缝微观组织，所得金相如图 2-5 所示。3.3 焊缝硬度的测定维氏硬度计是采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后撤去该试验力，接着测量试样表面的压痕对角线的长度。经测定得出焊缝各部分的硬度值见表 4。1038当代化工2014 年 6 月图 2 黄铜板 HSn62-1 金相组织 100Fig.2 The Metallographic organization of brass plate

20、HSn62-1（+两相，呈暗色为相、是体心立方晶格；呈亮色为相、是面心立方晶格）图 3 黄铜板 HSn62-1 HAZ 金相组织 100Fig.3 The Metallographic organization of brass plateHSn62-1 HAZ图 4 黄铜管母材 HSn70-1B 金相组织 100（组织为单相）Fig.4 The Metallographic organization of brass tube parentmaterial HSn70-1B图 5 黄铜管母材 HAZ HSn70-1B 金相组织 100Fig.5 The Metallographic orga

21、nization of brass tube parentmaterial HSn70-1B HAZ(组织为单相，HAZ 组织明显比母材粗大)表 4 焊缝的硬度值Table 4 The weld hardness部位数值一数值二数值三管材97.8103104.4管侧 HAZ124.3128.1141.7焊缝152.1149.1137.3板侧 HAZ137.3102.298.6板材77.173.5734 结 论（1）焊缝经目视后，未发现氧化、咬边、热裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和形状尺寸缺欠等现象出现，故焊接接头能够满足使用性能要求。（2）通过金相组织观察，微观图像上可以清晰的显示焊接接头熔合区的

22、熔合线。可见，焊缝接头组织分布均匀，无明显晶粒长大现象出现。黄铜板 HSn62-1 为 +两相组织，呈暗色的为相、属于体心立方晶格；呈亮色的为相、属于面心立方晶格。热影响区组织与母材组织相同, 只是热影响区的组织明显比母材组织粗大。黄铜管母材 HSn70-1B 组织为单相，热影响区组织为单相并且明显比母材粗大，黄铜板熔合线处的组织为 +两相，呈暗色为相、是体心立方晶格；呈亮色为相、是面心立方晶格。（3）通过硬度试验，表明黄铜焊缝硬度保持在较高水平，最高硬度接近 152.1 HV，明显高于热影响区和母材。（4）通过以上焊后检验的结论可以证明，采用手工钨极氩弧焊，直流正接电流，焊接参数：电流 13

23、0 A；电压 14 V；气体流速 9 L/min；焊接速度 80 mm/min，可以达到黄铜管头管板焊接接头的性能要求，同时也能够满足黄铜换热器的制造技术要求，此焊接工艺参数可以实际生产。参考文献：1史建涛.换热器管子和管板焊接接头浅见J. 广州化工,2009,37(6):168-170.2史长根,郭宏新,刘丰,徐宏,史和生,汪育,练绵炎.高压换热器钛管管板爆炸焊接模拟与试验J.实验研究.2011,28(11):21-24.3李秀芹,钟见平,杜占伟,张辉,王顺田,牛志刚,等.木糖厂1595 纯铜管的焊接工艺J.科技资讯,2012,6:53-54.4汪义高,杨昌明,张君凯,王旭,等,换热器焊接处

24、热应力数值模拟J.润滑与密封,2010,35(1):83-852.5孙转平.镁合金几种不同焊接接头的腐蚀行为及其防护D.长春：吉林大学,2010.6初保泽. 钨极氩弧焊技术工艺的应用与改进J.现代焊接，2010,12:83-852.7徐维普.管板换热器焊接工艺评定分析J. 化工装备技术,2009,30(3):25-26.(下转第 1045 页)第 43 卷第 6 期周艳红，等：蜡油加氢处理掺炼催化油浆利弊分析1045含量、多环芳烃等都有较大幅度的降低，从催化裂表 3 加氢生成油主要性质Table 3 The main properties of hydrogenated oil试验编号TEST

25、-1TEST-2密度(20 )/(gcm-3)0.879 10.885 4w(S),%1 0081 202w(N)10-6241618残炭,%0.010.22沥青质,%0.020.04w(碱氮)10-65086特性因数 K12.1012.02链烷烃27.827.4总环烷烃42.339.0总芳烃29.933.1胶质00.5化原料角度考虑，油品性质大幅改善，对于催化裂化产品分布以及产品性质都有益处。3 结 论从加氢试验结果可以看出：将适当比例的催化油浆，经过滤达到要求后，在蜡油加氢装置中进行掺炼，虽然会一定程度上增加加氢反应的难度，尤其是脱氮难度，但仍能达到很好的效果，具有可行性，在充分利用油浆的同时，也为催化裂化扩大原料来源提供了一条可行的路线。不足之处主要体现在过滤效果，即使过滤达到一定要求，仍会有少量催化剂粉尘带入加氢装置中，对装置长周期运转不利，氮含量以及芳烃含量高也是不得不面对的问题，因此，油浆掺量比例将会受到一定的限制。总体来看，将催化油浆在蜡油加氢装置中掺炼是一条可行的技术路线。参考文献：1王峰，赵德智，曹祖宾，等.催化裂化油浆加工工艺及发展J.当代化工， 2003，32(1): 45-49. 2韩德奇，杜兰英.催化裂化油浆利用的新途径J.节能，2000，(11):44-45.3李峰林，韩忠祥，孙昱东.催化裂化油