摘 要：電網(wǎng)儲能冷水機中涉及釬焊工藝，本文針對紫銅管與304不銹鋼管釬焊過程中質(zhì)量難以有效控制的問題，比較了釬焊焊縫的質(zhì)量，并對加熱溫度和焊后加熱2個過程進行工藝研究。試驗過程中，應(yīng)用熱成像儀對釬焊工藝溫度進行實時檢測與調(diào)控，重點分析了焊接加熱溫度對釬角潤濕角和氣孔缺陷的影響，并采用X射線探傷機在不同焊后加熱溫度和加熱時長下的焊縫進行比較，分析氣孔率與焊后加熱工藝參數(shù)的關(guān)系。研究表明，當BAg54CuZnNi銀釬料在700℃～720℃的加熱條件下，并在500℃下進行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)果對進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：TG 174" " 文獻標志碼：A

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

在實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中，銅與不銹鋼的焊縫開裂現(xiàn)象較嚴重，工藝可靠性較差。在釬焊過程中，當加熱溫度超過900℃時，不銹鋼晶粒擴展且銅管產(chǎn)生氫脆，導(dǎo)致強度降低，并且2種母材的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，會導(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，并進一步分析釬焊加熱過程的關(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間等參數(shù)對焊縫形貌的影響，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?液相的過程。但是在實際生產(chǎn)焊接過程中，異金屬釬焊焊縫的質(zhì)量難以得到有效控制[3]。

冷水機蒸發(fā)器出口管路為304不銹鋼，需要與T2紫銅管進行釬焊，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點原因。1） 銀含量較高，可降低釬料熔點，縮短加熱時間，對母材的熱影響較小。2） AgCu釬料共晶點在779℃，加入Zn后，共晶點降至720℃。3） 加入Ni元素可提高釬料對硬質(zhì)合金的潤濕性，同時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。進一步去除表面氧化層，同時提高釬料潤濕作用。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。

在釬焊過程中應(yīng)注意以下3點。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慕饘俟鉂桑鐖D1、圖2所示。2） 打磨后需要在較短時間（推薦不超過60s）內(nèi)進行焊接作業(yè)，防止新生成致密的氧化膜。3） 通過工裝控制承插間隙為0.2mm～0.4mm，間隙不宜過大，以保證較好的潤濕性。

2 異金屬釬焊試驗

在釬焊過程中，焊縫的成型質(zhì)量與釬焊加熱溫度、焊后熱處理時間和溫度有較大關(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處標記并進行切割，自然冷卻后，代入公式（1）進行計算。

（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

在加熱填絲過程中，應(yīng)集中加熱不銹鋼管側(cè)，當銅管側(cè)溫度滿足要求時，再適當加熱不銹鋼觀側(cè)，原因為以下2點。1） 由焊料的填充方式可知，如果加熱不銹鋼管側(cè)，熱量需要通過不銹鋼熱傳遞至銅管，使銅管表面達到焊料融化的溫度，這樣回導(dǎo)致加熱時間過長，不銹鋼管易出現(xiàn)過燒。2） 不銹鋼管的散熱速率遠小于銅管，如果加熱不銹鋼管，使其溫度滿足焊接要求，此時溫度高于焊條的熔點，不銹鋼管溫度長時間內(nèi)高于焊料熔點，不利于液態(tài)焊料凝固填充縫隙。

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

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

由金相圖對比可知，當溫度逐步上升時，釬料填充量呈現(xiàn)先增大、后變小的趨勢。當溫度為660～700℃時，釬角潤濕角θ均＜20°，填充效果較好。當溫度進一步升高，潤濕角逐步增大，釬角位置釬料填充量變小。比較內(nèi)部缺陷金相圖，當溫度逐步升至700℃～720℃時，內(nèi)部氣孔逐漸變小，再逐步增加。利用公式（1）可以計算出焊接溫度為700℃～720℃過程中，其殘余應(yīng)力最小。

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

2.2 焊后加熱

針對焊縫成型區(qū)域內(nèi)部存在“氣孔”缺陷的現(xiàn)象，本文從宏觀角度進行分析。釬焊孔是由釬料在結(jié)晶過程中氣體效應(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)生氣體并進入熔池，同時在高溫火焰的加熱條件下，空氣中的水分、油污和可燃氣體燃燒產(chǎn)生的氫氣等溶于高溫熔池中。在快速冷卻過程中，氣孔來不及溢出，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]。

改變焊后的加熱時間t和加熱溫度T，通過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。

焊接后如果不進行加熱處理，其氣孔率約為34%，滿足國標GB∕T33219—2016《硬釬焊接頭缺欠》評判等級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，再計算A/B的出氣孔率，如圖6所示。

當溫度逐漸升高時，氣孔率的占比先降低、后升高。當加熱溫度為400℃時，其平均氣孔率為31.9%。升至500℃時，其平均氣孔率降至5.2%，滿足GB∕T33219—2016《硬釬焊接頭缺欠》等級B的國標要求。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)致氣孔率比未進行熱處理時更高。當加熱溫度過低時，釬料基本處于固體狀態(tài)，氣體無法有效排出。

比較加熱時長對氣孔率的影響。隨著加熱時間增加，在3個加熱溫度下，該影響基本呈先降低、后升高的趨勢。加熱至5s時，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，內(nèi)部氣體基本已經(jīng)完全排出，此時如果繼續(xù)加熱，會導(dǎo)致已固化的鋅發(fā)生汽化現(xiàn)象。因此加熱時長為10s、加熱溫度為500℃較適宜。

3 結(jié)語

本文研究了儲能行業(yè)冷水機、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，明確了釬料型號和焊接過程中的2個焊接溫度，有效提高了焊縫質(zhì)量。進行紫銅管與304不銹鋼管釬焊時，選用BAg54CuZnNi銀釬料可降低焊接溫度和共晶點，并提高不銹鋼接頭的耐腐蝕性和潤濕效果。2） 在加熱填料過程中，溫度應(yīng)控制在700℃～720℃，可獲得較優(yōu)的釬角潤濕角，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℃，加熱時長為10s，可提高焊接質(zhì)量，使氣孔缺率降至5.2%以下，以提高釬焊強度。

參考文獻

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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，研究方向為儲能冷水機金屬焊接和防護工藝。

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