鋁黃銅合金管焊接工藝研究

王雪山

（海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116000）

HAl77-2鋁黃銅合金是工廠建造新型破冰船上使用的新材料。該材料耐腐蝕性高、冷熱加工性能好、力學性能優于純銅材料，是在普通黃銅中加入鋁等元素成為特殊黃銅。為了保證該材料管路的焊接施工質量（外觀、力學性能、抗沖擊性等），滿足該船設計工況的使用要求，因此，有必要對HAl77-2材料管子焊接工藝進行研究，設計并評定最佳焊接工藝參數，保證焊接接頭具有良好的力學性能和抗腐蝕性能。同時關注在焊接過程中可能出現的焊接接頭組織性能劣化及產生的焊接缺陷等。

1 HAl77-2材料特點

HAl77-2材料是在普通黃銅中加入鋁等金屬元素成為特殊黃銅—鋁黃銅合金，具有較高的強度、硬度以及良好的塑性，可在冷態、熱態下進行壓力加工，對海水有良好的耐腐蝕性，而且耐沖擊腐蝕，但是有脫鋅及腐蝕破裂傾向。

2 HAl77-2材料的焊接性

（1）HAl77-2鋁黃銅合金材料的焊接性比較差，主要表現在以下2方面：①焊縫成形能力差。焊接時容易出現溶合難、對接焊縫焊不透和表面成形差等外觀缺陷。這主要是由于銅的導熱性強，焊接時熱量迅速從加熱區傳導出去，焊接區域較難達到熔點溫度，母材與填充金屬難溶合。為此焊接時采用能力集中的強熱源，必要時應進行預熱；②容易產生氣孔。在高溫下產生較多的氫和不溶于銅的CO2或水蒸氣，來不及溢出或生成反應性氣孔。因此焊接時應延長熔池存在時間和采用含鋁、鈦等強脫氧劑的焊絲，防止氣孔的產生。

（2）焊接材料的選擇。焊接HAl77-2鋁黃銅應滿足一般工藝要求，也就是焊接材料的化學成分與力學性能與母材相當之外，主要是控制雜質含量和提供填充金屬的脫氧能力，避免產生熱裂紋和氣孔等缺陷。增強對焊縫的脫氧能力，在焊絲中加入脫氧劑硅、錳等合金元素，脫氧劑硅還可以抑制鋅的燒損。通過對HAl77-2鋁黃銅合金的材料特點和焊接性能的分析和研究，避免可能出現的焊接接頭缺陷，采用青銅加脫氧劑的鋁青銅焊絲CuAl8，其主要的化學成分是銅和鋁，并添加了避免產生熱裂紋和氣孔等缺陷和改善焊縫金屬組織、提高強度、塑性、耐腐蝕性及改善焊絲工藝性能有益金屬元素硅、鐵、鋅、錫等。

3 鎢極惰性氣體保護焊的原理及特點

（1）基本原理。在惰性氣體的保護下，利用鎢極和工件之間產生的焊接電弧溶化母材及焊絲的一種焊接方法。

（2）分類及特點。鎢極惰性氣體保護焊按操作方式可分為手工焊接和自動焊接；按電流種類分為直流和交流。文章研究的HAl77-2鋁黃銅合金材料的焊接，采用氬氣保護的手工直流焊接的方法。其主要特點有保護效果好、焊接過程穩定、焊接質量好、易于操作、適宜于各種位置的焊接，但是對工件焊接區域清潔度要求較高、生產效率及成本較高。

（3）應用。鎢極氬弧焊由于受承載能力的限制，適宜于焊接薄件，一般焊接厚度小于12mm的構件；鎢極氦氣焊的焊接厚度可適當增加。文章討論的HAl77-2鋁黃銅合金材料的厚度為3mm，，適合采用鎢極氬弧焊方法焊接。

4 鎢極氬弧焊焊接工藝

4.1 氣體保護

根據管件的焊接接頭形式，分析、討論影響氣體保護效果有如下主要因素。

（1）氣體的流量和噴嘴直徑匹配關系較大，也就是說，對于噴嘴直徑一定，要獲得最佳的保護效果，這時保護氣體流量調節就顯得較為重要。流量過小，排出周圍空氣的能力弱，抗干擾能力差，保護效果不好；流量過大，易形成紊流，使空氣混入，降低保護效果。

（2）噴嘴端面距焊縫表面的距離，在電極長度不變的情況下，噴嘴到焊縫表面距離越小，其噴出的氣體越堅挺，抗外界干擾的能力越強，有效保護直徑越大。但是距離太小，易影響焊接操作并造成飛濺堵塞噴嘴的現象。因此，在不影響焊接操作和造成其它不良影響的情況下，盡量采用短弧焊。

（3）焊接速度，一般情況下對氣體的保護效果影響不大，只有在高速時，由于受到空氣的阻力使保護氣層偏離電極末端，部分電弧和熔池暴露在空氣中，影響保護效果。所以宜采用較低的焊接速度。

4.2 焊前準備

（1）焊縫接頭及對接焊坡口的形式。文章討論對接和角接兩種接頭形式焊接，接頭坡口形式如表1所示。

表1 對接焊坡口形式及焊縫尺寸

（2）焊前清理。①清除油污，去氧化層之前，將坡口及兩側30mm內的油污、贓物等用汽油或丙酮等有機溶劑清洗干凈；②清除氧化層，用鋼絲刷或砂布（顆粒度100#～120#）將焊絲和焊件表面的氧化層清除，直至露出金屬光澤；氧化層清除后應盡快施焊，若存放超過24h應重新清理；③清除水、金屬屑等其它影響焊接質量的雜質。

4.3 焊接設備的選擇及參數設置

（1）采用直流非熔化極氬弧焊機，電源和極性采用直流電源，正接法。

（2）鎢極采用2%釷鎢合金電極，不同直徑鎢極電流許用值如表2所示。

表2 鎢極直徑電流許用值 單位：A

（3）焊接參數根據經驗和試驗設置如表3所示。

表3 HAl77-2管焊接參數

（4）鎢極端部形狀。

（5）氬氣的純度應大于等于99.70%。

4.4 焊接工藝方法

（1）引弧。一般氬弧焊機均有高頻或脈沖引弧和熄弧裝置，使鎢極與工件間保持3mm～5mm距離，接通電源在高壓高頻或高脈沖作用下，擊穿間隙放電引燃電弧。引弧不能在坡口外的母材上，以免造成母材表面電弧擦傷而引起的腐蝕和微裂紋。引弧應在坡口或焊縫的焊接處前方10mm左右，電弧穩定后，在慢慢拉到焊接處開始焊接。

（2）控制焊接溫度。焊接溫度對焊接質量影響很大，各種焊縫裂紋、咬邊、凹陷、燒損、凸瘤、氣孔、夾渣、未焊透、未溶合等缺陷的產生是溫度不適當造成的，因此焊接過程一是控制層間溫度；二是控制焊接溫度。通常情況下，焊接時熔池的平面視圖應該是鴨蛋圓形，短軸約為鎢極直徑的2～2.5倍，兩側母材溶入1～1.5mm，電弧的中心約在熔池1/3處，焊絲在熔池中心添加。

（3）運弧的要求。施焊時，一般采用左焊法，焊槍、焊絲及焊件相互間應保持一定的距離及傾角關系。焊槍傾角為70°～85°，焊絲置于熔池前面或側面，焊絲傾角15°～20°焊接時，在不妨礙操作者視線地情況下，盡量采用短弧焊接，弧長保持2～4mm，焊槍以規定或經驗的勻速，沿焊縫長度方向左右擺動直線移動。

（4）?；?。焊接中途需?；r，采用逐漸加快運弧速度，縮小熔池面積在收弧的方法，加快運弧的長度約20mm左右。再次在原?；√幰『附訒r，待熔池形成后，向后壓1～2個波紋，接頭的起點不加或少加焊絲，起點和接頭處的焊接速度適當放慢。

（5）收弧。收弧是一道焊縫焊接完成，在焊接終止時，焊炬前移速度逐漸加快，焊絲的添加量逐漸減少，直到母材不熔化為止，收弧時需注意應重疊焊縫20～30mm。熄弧后不能馬上移開焊炬，應在收弧處停留3～5s，使收弧處得到較好的惰性氣體保護。

（6）焊接環境。一般應在車間內干凈的工作臺上進行裝配和焊接，焊接時應設置通風裝置，排除焊接產生的廢氣、煙塵等，但應保證通風不吹散焊縫附件的保護氬氣。

5 結語

HAl77-2材料的鋁黃銅合金管焊接對工廠來說，屬于新材料、新工藝、新方法，施工過程中難度較大，通過研究探索，從試驗結果中篩選出最佳的焊接工藝方法，逐項解決各項施工及技術難題。焊縫表面光滑、溶合良好，力學性能符合技術要求，取得了較理想的效果，保證了船舶的按期交付，得到了用戶的高度認可，同時也使得工廠造船能力再上一個新的臺階。