薄壁铜管的钎焊工艺

2016年10月12日
  铜管外径和壁厚之比大于20的铜管就被称为薄壁铜管。薄壁铜管一般被用于石油炼厂的炉管、热交换器管和管道用无缝管。薄壁铜管的连接主要还是靠钎焊。薄壁铜管的钎料选择有很多,但是考虑到卫生这块,一般都采用最成熟的钎焊方法,即采用铜磷钎料或低铜磷钎料的铜磷硬焊接以及小口径铜管采用无铅锡钎料或无铅锡银钎料的锡软钎焊。

  薄壁铜管在国内建筑工程中的应用已有二十余年的发展历史,与薄壁铜管同步发展的钎焊连接技术也日益完善,钎焊连接用的各类管件也由依赖进口,发展到目前不仅有了相应的国标与行标的管件产品标准,全部实现了国产化,并已具有了一定的加工出口的能力,向国标市场供应管件产品,为国内薄壁铜管的钎焊连接在建筑工程中的广泛应用,提供了坚实的物质基础。

  薄壁铜管的连接,较难实施对接熔焊,较简易的连接方法是搭接钎焊,而铜管与其他金属管道相比,其钎焊的焊接性是最好的,既可实施低温的软焊接,又可实施高温的硬焊接,能选用的钎料种类很多,且钎焊工艺优良,操作简便。因此,钎焊连接方法成了薄壁铜管连接的主要手段。

  薄壁铜管钎焊,虽有许多种钎料可供选用,但考虑到建筑给水管道的卫生要求,以及实际施工的方便可靠,目前薄壁铜管应用最成熟的钎焊方法为:采用铜磷钎料或低铜磷钎料的铜磷硬焊接,以及小口径铜管采用无铅锡钎料或无铅锡银钎料的锡软钎焊两种,为了便于对薄壁铜管的钎焊连接有一较全面的了解,现将薄壁铜管的钎焊工艺介绍如下:

  一、薄壁铜管钎焊的原理

  钎焊是利用熔点比母材低的钎料和母材一起加热,在母材不熔化的情况下,钎料熔化后润湿并填充进两母材连接处的缝隙,形成钎焊缝,在缝隙中,钎料和母材之间相互溶解和扩散,从而得到牢固的结合。

  铜管的钎焊就是将铜管、铜管件与熔点比铜低的铜磷钎料或锡钎料一起加热,在铜管、铜管件不熔化的情况下,加热到钎料熔化,然后使熔化的钎料填充进承插口的缝隙中,冷却结晶形成钎焊缝,成为牢固的接头。铜管钎焊时,承插口的间隙是较小的,钎料需通过毛细管的作用才能进入钎缝间隙,而毛细管作用只能在液体钎料能润湿铜表面时才形成,否则液体钎料会在表面张力作用下,团聚成球状,即形成不润湿现象。因此液体钎料对铜表面的润湿是钎料能否流人钎缝和填满钎缝的关键。实践经验告知,影响钎料对铜表面润湿的因素,首先是钎料的成分,其次是铜表面的氧化物。现今采用的铜磷钎料与锡钎料对铜都具有相当好的润湿性,因此,铜表面的氧化物是影响润湿的主要因素,铜表面的氧化物会妨碍钎料的原子与铜直接接触,使液体钎料对铜表面形成不润湿,因此铜管钎焊时,必须清除铜管与铜管件钎焊面表面的氧化物,包括钎焊过程中产生的氧化物,才能使钎料对铜表面保持必要的润湿性,常用的方法是,钎焊前用机械方法将焊接面的氧化物去除,然后再选用合适的钎剂来有效清除钎焊过程中产生的氧化物。以上所述为铜管钎焊的简单原理,只要按钎焊原理的要求实施钎焊,铜管钎焊的质量是有保证的。事实证明,铜管的钎焊技术简单方便,稍有施工经验的施工人员,只要经短期的培训,就能掌握铜管的钎焊技能。

  二、薄壁铜管的钎焊方法

  1.铜管的铜磷钎焊

  铜管的铜磷钎焊属于硬钎焊,接头程度高,耐温性好,适用于各种介质的大小口径铜管的钎焊连接,但由于铜磷钎料的熔点在710℃以上,含5%银的低银铜磷钎料的熔点也在640℃以上,钎焊温度高,必须采用氧-乙炔火焰或氧-丙烷火焰作为热源,才能满足钎焊温度与热功率的需要,特别是大口径铜管钎焊时,还需要配备两把气焊枪,由两名操作人员同时加热,才能控制好接头处的加热温度及接头处环向与长度方向的温度均匀,才能使熔化后的钎料均匀地填满钎缝,保证钎焊质量。

  铜管采用铜磷钎焊,不仅钎料对铜管及管件具有相当好的润湿性,并且钎料中的磷能有效去除钎焊过程中产生的氧化物,使钎料始终对铜表面具有足够的润湿性,因此,铜管与紫铜管件钎焊时,只需钎焊前将铜管及管件钎焊表面的污垢及氧化物清除干净,就可直接装配钎焊,不用添加钎剂,操作简单方便。只有铜管与黄铜管件钎焊时,才需在黄铜侧刷涂或添加钎剂,以去除黄铜侧产生的锌的氧化物,使钎料对黄铜表面保持必要的润湿性,确保钎焊质量。

  铜管采用低银铜磷钎料钎焊与无银铜磷钎料钎焊相比,具有钎焊温度低,钎料流动性好,质量更易控制等特点,使钎焊的操作更便捷,功效更高。虽钎料的成本会略有提高,但质量与功效的提高降低了人工消耗,对工程总体成本的影响不大,特别是在小口径铜管钎焊中采用低银铜磷钎料更显其合理性。

  2、铜管的锡钎焊

  铜管的锡钎焊属于钎焊温度较低的软钎焊,锡钎料的熔点均在300℃以下,加热方便,但其接头的钎接强度较低,且耐温性较差,主要用于φ2〃以下以水为介质的铜管中。

  锡钎焊可采用氧-乙炔火焰或氧-丙烷火焰作热源,也可采用丙烷-空气火焰或电加热作热源,均能满足锡钎焊温度与热功率的要求。

  铜管采用锡钎焊,虽然锡钎料对铜具有较好的润湿性,但铜表面的氧化物会妨碍锡钎料的原子与铜直接接触,即对铜表面形成不润湿。因此,锡钎焊时,不仅焊前需将铜管及管件钎焊面的污垢及氧化物清除得非常干净,还必须添加钎剂来清除钎焊过程中产生的氧化物。锡钎焊与铜磷钎焊相比,最大的差异除了钎焊温度不同外,主要是锡钎料对铜表面的润湿以及与铜表面的结合,必须由钎剂来协同完成,就是必须有钎剂在前面流动去除钎焊面的氧化物,锡钎料在后面及时地与洁净的铜表面完成相互溶解和扩散的钎焊连接,否则,锡钎料与铜表面见会形成伪焊。因此,锡钎焊时,虽钎焊温度低,加热方便,但对钎焊面的清洁度要求更高,对操作人员的技能,即操作熟练程度与温度控制能力要求更严。

  铜管的锡钎焊目前有两种连接方式,一种是采用常规的承插式铜管件,钎焊时由操作人员从管外侧添加钎料填入缝隙形成钎焊接头。另一种是采用带有锡钎料环的特殊铜管件,该管件在生产时,于管件承口处内侧压制有一条环形凹槽,并在槽内浇铸好与管件内壁齐平的锡钎料,钎焊时,操作人员不需再添加钎料,只要对接处实施加热,待管件凹槽内钎料溶解后填入接头缝隙,形成钎焊接头。铜管锡钎焊时应选用无铅锡钎料,以防止污染水质,并不得使用对铜有腐蚀的含氨钎剂。

  三、薄壁铜管钎焊的操作程序

  1、将铜管接头处的外表面及管件接头处的内表面的氧化膜清理干净。

  2、在清理干净的管子外表面及管件内表面处均匀涂刷糊状或液体钎剂,采用铜磷钎料或低银铜磷钎料钎焊铜管与紫铜管件时,可不涂钎剂。

  3、将铜管插入管件中,插到底并适当旋转,以保持均匀的间隙,若涂有钎剂,应将挤出接缝的多余钎剂用清洁抹布抹去。

  4、用气体火焰对接头处实施均匀加热,直至加热到钎焊温度,锡钎焊时,也可用电加热将接头处加热到钎焊温度。

  5、用钎料接触被加热到高温的接头处,以判定接头处温度,若钎料不熔化,表示接头处温度尚未达到钎焊温度,需继续对接头进行加热,若钎料能迅速熔化,表示接头处温度已达到钎焊温度,即可边继续对接头加热,以保持接头处的温度在钎焊温度以上,边向接头的缝隙处添加钎料,利用接头处的热量将钎料熔入缝隙,直至将钎缝填满,切忌用火焰直接熔化钎料涂于缝隙表面。

  6、移去热源,停止加热,使接头在静止状态下冷却结晶,防止熔化钎料冷却结晶时受到振动而影响钎焊质量。

  7、将钎焊接头处的残渣清理干净,必需时可刷涂清漆保护。

  总之,薄壁铜管钎焊连接是一项成熟的连接工艺,操作简便,质量可靠,并适宜暗埋敷设。因此,在铜管工程中,钎焊连接是最常用的连接方法。随着薄壁铜管应用的快速发展,适用于不同场合不同需要的铜管连接方法也日益增多。。。例如:小口径铜管的连接有卡套式连接,,还有卡压式连接,还有插接式连接,大口径铜管的连接有铜法兰连接,有松套法兰连接,还有沟槽连接等等。相信,这些连接方法会与钎焊连接方法一样,,在铜管工程中得到应有的应用。有关这些连接方法的具体内容,将另文介绍。

  四、薄壁铜管钎焊连接

  1、钎焊的原理与特点

  钎焊的定义钎焊是利用熔点比母材低的钎料和母材一起加热,在母材不熔化的情况下,钎料熔化后润湿并填充进两母材连接处的缝隙,形成钎焊缝,在缝隙中,钎料和母材之间相互溶解和扩散,从而得到牢固的结合。

  A、钎焊按所用钎料熔点的高低不同,可分为两大类,一般以450°C为界,钎料熔点〈450°C的钎焊为软钎焊,钎料熔点〉450°C的钎焊为硬钎焊。软钎焊操作简单,便于掌握,但其接头的钎接强度较低。硬钎焊与软钎焊相比,具有较高的钎接强度,但其操作稍有难度,需要一定的实践经验。

  B、钎焊的特点钎焊与熔化焊相比有明显的不同,首先,钎焊时母材不熔化,而只有钎料熔化,其次在钎焊接头中,钎料成分和性能与母材有着明显的差别,熔化的钎料需靠毛细管作用填充亲接头的缝隙,并通过接头的搭接面积来提高其承载能力。钎焊的主要特点是加热温度较低,焊件的组织和机械性能变化较小,接头平整光滑,变形不大,且可连接不同材料,生产效率高等。因此在铜管施工中,钎焊得到广泛的应用。但钎焊接头的强度直接受接头装配缝隙大小的影响,有试验资料证明,钎焊接头的强度会随着装置缝隙的增大而下降,且缝隙的大小还影响毛细管作用与钎着面积,因此钎焊接头装配时,应保持均匀而严格的缝隙,以确保钎焊接头的质量。

  C、钎焊接头的形成过程钎焊接头的形成过程是:母材及钎料被加热到钎焊温度,钎料熔化后流入接头的缝隙,同时与母材发生相互作用,形成新的合金,然后在钎缝中冷却结晶,形成钎焊接头。因此要得到牢固的接头,其关键是熔化的钎料要能很好的流入缝隙填满钎缝,且能与母材相互作用并冷却结晶。钎焊时,钎缝的间隙是较小的,钎料需在毛细管作用下在钎缝中流动,而毛细管作用只有在液体钎料能润湿母材表面时才形成,因此液体钎料对母材的润湿性是钎料能否流入钎缝和填满钎缝的关键。实践经验告知,影响钎料对母材润湿性的因素,首先是钎料和母材成分的影响,只有液体钎料能与母材相互溶解或形成化合物时,钎料才能较好的润湿母材,因此必须选择合适的钎料,使液体钎料能对母材具有足够湿润性。铜管钎焊选用的锡钎焊料、银钎焊料、铜磷钎焊料对铜都有相当好的润湿性。其次是母材表面氧化物的影响,金属表面的氧化物妨碍了钎料的原子与母材直接接触,使液体钎料在表面张力作用下,团聚成球状,形成不湿润现象。因此钎焊时应清除母材表面的氧化物,包括钎焊过程中产生的氧化物,使钎料对母材保持润湿性。常用的方法是选用合适的钎剂来有效清除氧化物。

  2、钎料和钎剂的种类和选用

  A、钎料的种类和选用

  钎料又称焊料,是钎焊时在低于母材熔化的温度下熔化并填充进钎焊接头的金属或合金。用于铜管钎焊的钎料有如下几种:

  1)锡钎焊料锡钎焊料

  主要由锡铅、锡锑、锡银等合金组成,属于软钎焊料,具有钎焊温度低,润湿性好,操作方便等特点,但接头强度低,耐温性较差,主要用于2”以下小口径铜水管的钎焊。

  )锡铅焊料,最常用的是锡铅各占50%的锡铅焊料,其熔化温度为210°C,凝固温度为183°C。由于焊料中过量的铅会影响管内水质,故在生活用供水管道中不宜使用,可用于排水管道。

  b)纯锡钎料,一般将含锡量大于90%的锡钎焊料称为纯锡钎料。但高纯度的锡不能用作钎料,因为纯锡在常温下为白色,一旦温度降到足够低时就会转变为灰色,体积增大约25%,会使白色的锡变成灰色的粉末,俗称“锡疫”。因此纯锡焊料必须加入3~5%的锑,或适量的铅防止锡疫”。其熔化温度为222°C,凝固温度为183°C,是目前铜水管首选的锡钎焊料。

  c)锡银钎料,是由96%的锡和4%的银组成的合金,其熔化温度为225°C,凝固温度为221°C,由于银的假如,提高了钎料的耐热性及钎接的强度,是铜水管钎焊较理想的锡钎焊料。特别市凝固温度的提高,在相邻近接头需先后钎焊时带来便利,可在先焊接头中采用锡银钎料,后焊接头中采用纯锡钎料,避免了后焊接头加热温度对先焊接头产生不利影响。

  2)银钎焊料银钎焊料主要由银铜、银铜锡、银铜锌等合金组成,属硬钎焊料,具有钎焊接头强度高、润湿性好等特点,但钎焊温度高,操作有一定难度,主要用于2”以上大口径铜管及对质量要求与钎着率要求较高的钎焊接头。

  3)铜磷钎焊料铜磷钎焊料是由铜磷二元合金组成,属硬钎焊料,由于磷可以还原氧化铜,因此采用铜磷钎焊料钎焊紫铜时不需另外加钎剂,钎焊工艺性能好,且价格便宜,因此在不宜用锡钎焊料的铜管钎焊中得到广泛应用。

  B、钎剂的种类和选用钎剂又称钎焊溶剂,其主要作用是清除母材及钎料表面的氧化膜,抑制母材及钎料在钎焊过程中再氧化,从而改善钎料对被钎焊材料的润湿作用。因此钎剂除了应具有足够的去除母材与钎料表面氧化膜的能力外,钎剂的熔点及最低活性温度应低于钎料的熔点,并在钎焊温度范围内具有足够的稳定性,熔化成液体的钎剂对母材应具有足够的润湿性且比重小于液体钎料。用于铜管钎焊的钎剂有如下几种:

  1)锡钎焊用钎剂锡钎焊可使用松香等有机类钎剂。但其活性较差,较难适应铜管钎焊的要求。因此铜管锡钎焊时,多采用由氯化锌等无机盐类组成的无机类钎剂。常用的有市场供应的焊锡膏及液体钎剂,也可自行配置。

  2)银钎焊用钎剂铜管银钎焊时,必须采用市场供应的瓶装粉状银钎焊专用的钎剂。可直接使用,也可调制成糊状后使用。

  3)铜钎焊用钎剂采用铜磷钎料焊紫铜时,一般可不用钎剂。但紫铜管与黄铜等铜合金钎焊时,还需采用铜钎焊用钎剂,铜钎焊用钎剂的主要成分为硼砂,可采用市场供应的瓶装铜焊粉,也可自行配置,使用时宜调制成糊状。

  3、铜管钎焊连接的种类和应用

  A、铜管的锡钎焊连接铜管的锡钎焊连接属软钎焊,虽钎焊温度低,操作简单,但其接头强度较低,且耐温性较差,因此主要用于2”以下介质为水的管道中,例如冷热给排水管及空调水管等。

  1)普通焊接式钎焊时需要由操作人员从管道外侧添加焊料并溶入缝隙,冷却结晶后形成钎焊接头。钎焊接头的质量需由操作技能要保证。

  2)内置锡环式内置锡环式管件是在生产时,于管件的套管处内侧压制一条环形的凹槽,并在槽内浇铸好与管件内壁平齐的锡钎焊料,钎焊时,不需要添加焊料,只需对接头处实施加热,加热方式可采用常规的火焰加热方法,也可采用电加热法,即采用专用的电加热夹持于接头处,然后通电加热,使管件凹槽中的锡钎料环溶解后填入接头处缝隙,冷却结晶后钎焊接头。钎焊接头的质量容易保证,操作技能要求较低,但成本较高。

  B、铜管的磷铜钎焊连接铜管的磷铜钎焊连接属硬钎焊,接头强度较高,耐温性较好,适用于各种介质的大小口径铜管的钎焊连接,但其钎焊温度较高,对操作技能的要求较高。因为钎焊时,接头处的温度直接影响磷铜钎料对铜管的润湿性,以及钎料在钎缝中的流动性,特别是大口径铜管的钎焊时,要使磷铜钎料能较好地溶入钎缝,必须控制好接头处的加热温度,并能保持好接头处的环向与长度方向温度的均匀,若出现局部温度的过热或过低,均会影响接头中钎料的流布,从而影响钎焊接头的质量。

  C、薄壁铜管的银钎焊连接

  铜管的银钎焊连接属硬钎焊,接头强度较高,耐温性较好,同样适用于各种介质的大小口径铜管的钎焊连接,虽其钎焊温度较高,操作也有一定难度,但与磷铜钎焊连接相比,在相同的钎焊条件下,银钎焊料具有更好的润湿性与流动性,能较易熔入与填满钎缝,从而使钎焊接头的质量更容易得到保障。
来源:金田铜铝(深圳)有限公司
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