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摘要：本文依托某炼油厂透平膨胀压缩机供油装置上的冷却器紫铜与不锈钢管板接头维修焊接实例，对紫铜的材质特性进行分析，归纳出紫铜的焊接难点及特点，总结出适合现场施工安装的焊接工艺，采用氩弧焊焊接工艺、匹配的焊材及焊前预热措施，成功进行了T2管与不锈钢板的现场焊接，使焊接达到了质量规范的要求。
关键词：T2紫铜；热裂纹；焊接工艺；预热
1 T2的特性
1.1 物理特性
T2紫铜是工业纯铜，其熔点为1083℃，无同素异构转变，导热系数401（W/m·K）、电阻率为1.72×10-8Ω·m、密度8.9克/立方厘米、比热容385J/（kg·K）。表面形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。它是含有一定氧的铜，因而又称含氧铜。与其他金属相比较，导热系数小，电阻系数小。862℃以上为体心立方，称为β相。与其他金属相比较，导热系数小，电阻系数大。
1.2 化学特性
T2为普通紫铜，属含氧铜。紫铜的电导率和热导率仅次于银，广泛用于制作导电、导热器材。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，用于化学工业。另外，紫铜有良好的焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。
普通紫铜在含氢或一氧化碳的还原性气氛中加热时，氢或一氧化碳易与晶界的氧化亚铜（Cu2O）作用，产生高压水蒸气或二氧化碳气体，可使铜破裂。这种现象常称为铜的“氢病”。氧对铜的焊接性有害。紫铜退火板材的室溫抗拉强度为22～25Kgf/mm2，伸长率为45～50%，布氏硬度（HB）为35～45。
2 T2与的1Cr18Ni9Ti可焊性分析
Fe与Cu的原子半径、点阵类型、晶格常数及外层电子数都比较接近，这对不锈钢与紫铜之间的焊接比较有利。但是，不锈钢与紫铜的熔化焊接还有一定的难度，主要如下：
（1）.铁与铜的物理性能不同，熔点及线膨胀系数差异大，紫铜的线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接应力。
（2）.铜的导热系数是钢的8倍多，熔池的冷却速度比钢要大得多，氢的扩散逸出和水的上浮条件更为恶劣，形成气孔的敏感性增大。
此外，焊缝中的铁元素对热裂纹倾向的影响比较大。据有关资料介绍，当铁含量在10～43%时，焊缝具有最好的抗裂性能。因此，控制焊缝的熔合比是相当重要的环节。
3 焊接工艺
3.1 焊接方法的选择
紫铜与不锈钢焊接可采用气焊、氩弧焊、手工电弧焊等焊接方法。气焊的焊接熔池温度易于控制，容易实现单面焊双面成形，对焊件进行焊前预热和后热也较便利。但由于氧乙炔焰温度低，热量分散，难以克服因紫铜散热快而引起焊不透的缺陷，且对不锈钢一侧也很难实现熔化，较难获得良好的焊接质量，为此气焊方法在本例中排除。
3.2 接头形式及尺寸
接头形式为管板接头，板厚δ=20mm，紫铜管规格为φ16×3紫铜管。
3.3 焊接设备及机具选择
焊接电源应选用额定电流400A的直流氩弧焊电源WS-400，配带高频引弧装置；焊枪选用300A氩弧焊枪。
3.4 焊接材料的选择
依托母材焊接特性，将焊材初步确定为纯Ni焊丝、HS224硅黄铜焊丝、HS201紫铜焊丝、H0Cr21Nil0不锈钢焊丝四种焊材。
4 不锈钢与紫铜的异种材质的焊接
可采用Z308堆焊在不锈钢上，再用T107焊接铜与纯Ni层。由于纯Ni与铜在固态、液态情况下均能无限互熔，能消除Cu的有害作用，可有效地防止裂纹，提高力学性能。但本例为管板之间的焊接，接头形式无法实现堆焊的效果，且纯Ni焊丝，市场供货少，难购买。
4.1.焊前准备
焊前准备：紫铜管（50Cm范围内）焊接部位需严格去油、氧化物及其它污物，管板焊接坡口部位需去油、除涂锈等杂质。
氩气的纯度要求≥99.99%
4.2合理控制焊接热循环
合理控制焊接热循环，对于改善焊接应力状态和消除氧化物、硫化物以及减少低熔点共晶体起着至关重要的作用。
在焊接方法采用热量集中的焊接方法，即手工钨极氩弧焊接。
另外，可采用焊前、焊中加热、焊后保温的办法。由于紫铜导热系数大，散热迅速，故施焊前必须对铜管施焊一侧进行预热（温度600-650℃）。
焊接过程中仍要保持焊缝层间温度不低于400℃，有较大难度。由于管板焊接位置处于不锈钢封板两侧，可用中性焰加热铜管位于不锈钢封板另一侧的非焊接区域，利用铜管的良好导热性能，确保焊缝层间温度（温度400-450℃）。
焊接完毕后，用硅酸铝毡覆盖焊口保温缓冷，以消除焊接应力，防止裂纹产生。
4.3操作手法
施焊时采用短弧焊，电弧中心要偏向铜管侧约2-4mm，一方面减少铜管侧的热量损失，以免发生未焊透、未熔合等缺陷，且能减少熔合比，使Fe元素的含量控制在10～40%之间，使焊缝具有良好的抗裂性能。另一方面也可防止不锈钢管一侧受热过多而产生烧穿、咬边现象。
采用连续送丝方式，不做横向和前后摆动，只沿焊缝的直线移动，不能采用不加焊丝而将两种母材直接熔合的方法。施焊过程中尽量减少熄弧次数，熄弧前为防止出现弧坑和过早失去保护，应在熄弧前多添加填充金属，填满后再熄弧停止送氩气。
5 结论
通过在紫铜与不锈钢管板接头的焊接实例，只要选择合适的焊接材料、合理的焊接规范，对于不锈钢与铜的焊接，采用手工钨极氩弧焊进行可以代替传统的气焊、钎焊、胀接工艺，可以达到铜管与不锈钢（碳钢）管板接头的中压强度及气密性的要求，能够满足产品的使用要求，是经济、简便、可靠的一种焊接工艺方法。能有效地降低施工成本、生产周期及工艺难度。它大大提高了接头的强度，给中高压油泵在透平膨胀机供油装置上的应用扫清了障碍；同时，它显著提高了产品的外观质量。
关键词：T2紫铜；热裂纹；焊接工艺；预热
1 T2的特性
1.1 物理特性
T2紫铜是工业纯铜，其熔点为1083℃，无同素异构转变，导热系数401（W/m·K）、电阻率为1.72×10-8Ω·m、密度8.9克/立方厘米、比热容385J/（kg·K）。表面形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。它是含有一定氧的铜，因而又称含氧铜。与其他金属相比较，导热系数小，电阻系数小。862℃以上为体心立方，称为β相。与其他金属相比较，导热系数小，电阻系数大。
1.2 化学特性
T2为普通紫铜，属含氧铜。紫铜的电导率和热导率仅次于银，广泛用于制作导电、导热器材。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，用于化学工业。另外，紫铜有良好的焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。
普通紫铜在含氢或一氧化碳的还原性气氛中加热时，氢或一氧化碳易与晶界的氧化亚铜（Cu2O）作用，产生高压水蒸气或二氧化碳气体，可使铜破裂。这种现象常称为铜的“氢病”。氧对铜的焊接性有害。紫铜退火板材的室溫抗拉强度为22～25Kgf/mm2，伸长率为45～50%，布氏硬度（HB）为35～45。
2 T2与的1Cr18Ni9Ti可焊性分析
Fe与Cu的原子半径、点阵类型、晶格常数及外层电子数都比较接近，这对不锈钢与紫铜之间的焊接比较有利。但是，不锈钢与紫铜的熔化焊接还有一定的难度，主要如下：
（1）.铁与铜的物理性能不同，熔点及线膨胀系数差异大，紫铜的线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接应力。
（2）.铜的导热系数是钢的8倍多，熔池的冷却速度比钢要大得多，氢的扩散逸出和水的上浮条件更为恶劣，形成气孔的敏感性增大。
此外，焊缝中的铁元素对热裂纹倾向的影响比较大。据有关资料介绍，当铁含量在10～43%时，焊缝具有最好的抗裂性能。因此，控制焊缝的熔合比是相当重要的环节。
3 焊接工艺
3.1 焊接方法的选择
紫铜与不锈钢焊接可采用气焊、氩弧焊、手工电弧焊等焊接方法。气焊的焊接熔池温度易于控制，容易实现单面焊双面成形，对焊件进行焊前预热和后热也较便利。但由于氧乙炔焰温度低，热量分散，难以克服因紫铜散热快而引起焊不透的缺陷，且对不锈钢一侧也很难实现熔化，较难获得良好的焊接质量，为此气焊方法在本例中排除。
3.2 接头形式及尺寸
接头形式为管板接头，板厚δ=20mm，紫铜管规格为φ16×3紫铜管。
3.3 焊接设备及机具选择
焊接电源应选用额定电流400A的直流氩弧焊电源WS-400，配带高频引弧装置；焊枪选用300A氩弧焊枪。
3.4 焊接材料的选择
依托母材焊接特性，将焊材初步确定为纯Ni焊丝、HS224硅黄铜焊丝、HS201紫铜焊丝、H0Cr21Nil0不锈钢焊丝四种焊材。
4 不锈钢与紫铜的异种材质的焊接
可采用Z308堆焊在不锈钢上，再用T107焊接铜与纯Ni层。由于纯Ni与铜在固态、液态情况下均能无限互熔，能消除Cu的有害作用，可有效地防止裂纹，提高力学性能。但本例为管板之间的焊接，接头形式无法实现堆焊的效果，且纯Ni焊丝，市场供货少，难购买。
4.1.焊前准备
焊前准备：紫铜管（50Cm范围内）焊接部位需严格去油、氧化物及其它污物，管板焊接坡口部位需去油、除涂锈等杂质。
氩气的纯度要求≥99.99%
4.2合理控制焊接热循环
合理控制焊接热循环，对于改善焊接应力状态和消除氧化物、硫化物以及减少低熔点共晶体起着至关重要的作用。
在焊接方法采用热量集中的焊接方法，即手工钨极氩弧焊接。
另外，可采用焊前、焊中加热、焊后保温的办法。由于紫铜导热系数大，散热迅速，故施焊前必须对铜管施焊一侧进行预热（温度600-650℃）。
焊接过程中仍要保持焊缝层间温度不低于400℃，有较大难度。由于管板焊接位置处于不锈钢封板两侧，可用中性焰加热铜管位于不锈钢封板另一侧的非焊接区域，利用铜管的良好导热性能，确保焊缝层间温度（温度400-450℃）。
焊接完毕后，用硅酸铝毡覆盖焊口保温缓冷，以消除焊接应力，防止裂纹产生。
4.3操作手法
施焊时采用短弧焊，电弧中心要偏向铜管侧约2-4mm，一方面减少铜管侧的热量损失，以免发生未焊透、未熔合等缺陷，且能减少熔合比，使Fe元素的含量控制在10～40%之间，使焊缝具有良好的抗裂性能。另一方面也可防止不锈钢管一侧受热过多而产生烧穿、咬边现象。
采用连续送丝方式，不做横向和前后摆动，只沿焊缝的直线移动，不能采用不加焊丝而将两种母材直接熔合的方法。施焊过程中尽量减少熄弧次数，熄弧前为防止出现弧坑和过早失去保护，应在熄弧前多添加填充金属，填满后再熄弧停止送氩气。
5 结论
通过在紫铜与不锈钢管板接头的焊接实例，只要选择合适的焊接材料、合理的焊接规范，对于不锈钢与铜的焊接，采用手工钨极氩弧焊进行可以代替传统的气焊、钎焊、胀接工艺，可以达到铜管与不锈钢（碳钢）管板接头的中压强度及气密性的要求，能够满足产品的使用要求，是经济、简便、可靠的一种焊接工艺方法。能有效地降低施工成本、生产周期及工艺难度。它大大提高了接头的强度，给中高压油泵在透平膨胀机供油装置上的应用扫清了障碍；同时，它显著提高了产品的外观质量。