管接头焊接品质与晶粒度相关关系研究

邹立清，方掩，古湘龙，林龙

【摘要】此次研究以实验为主，通过不同的焊接加工工艺得到不同晶粒度的管接头产品，再将不同晶粒度的管接头产品进行耐压、耐破坏、拉伸实验等一系列实验，得出不同晶粒度的管接头在耐破坏、拉伸强度下的性能值；根据实验数据分析管路件焊接品质与晶粒度的相关关系，进而得到判定焊接品质的晶粒度标准。

This research is mainly based on experiments. Pipe joint products with different grain sizes are obtained through different welding processes. Then, pipe joint products with different grain sizes are subjected to a series of experiments such as pressure resistance, damage resistance, and tensile tests. Find out the performance values of pipe joints with different grain sizes under the damage resistance and tensile strength; analyze the correlation between the welding quality of pipe fittings and the grain size according to the experimental data, and then obtain the grain size standard for determining the welding quality

【关键词】管接头；焊接品质；耐压测试

【Key words】pipe joints; welding quality; puncture test

1 引言

空调作为改善生活品质的重要一环，在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。也正因为如此，空调的产品品质保证才显得愈加关键，尤其是关键品质中的制冷效果。当前空调系统结构十分成熟，反倒是管路件泄漏成为了短板，因此各空调生产商都会花大力气进行管路焊接品质改善及焊后检漏。

2 试验条件

2.1 试验材料

为减少人为因素的干扰，本次试验选用已成熟的B型管接头自动送丝焊设备焊接^[1]，母材为铜管与B型管接头套接，铜管材质为磷脱氧铜（TP2M），管接头材质为黄铜（HPB59-1），钎料材质为铜基2B焊丝（BCu91PAg）^[2]。各材料特性符合GB/T 17791-2017《空调与制冷设备用铜及铜合金无缝管》^[3]、GB/T 6418-2008《铜基钎料》^[4]及图纸技术要求。

2.2 试验工艺

试验样品采用自动送丝焊氧-天燃气中性焰钎焊工艺焊接成型。钎焊过程管接头固定于专用底座上，可确保被焊工件位置的唯一性。采用自动送丝焊接设备，直接更改设备参数即可，试验条件可控性高，避免因人工调节造成试验数据的差异。

自动送丝焊量产焊接参数（经多次评估确认并已使用2年以上）如下表1，本试验目的在于获得不同的晶粒度样品。该试验采取单一因素更改方式进行，同时为确保中性焰焊接，天燃气与氧气按组调节，属于同一组参数，具体可分为三组试验。为获取较大的晶粒度样品，进一步明确晶粒度与焊接品质相关性，采用量产钎焊焊接工艺参数（表1），将正常焊接的管接头补焊1次、补焊2次进行试验。

表1 量产钎焊焊接工艺参数

项目	类别		量产参数
预热	天燃气压力/KPa		60
	氧气压力/KPa		75
	时间/s		11
加热	天燃气压力/KPa		70
	氧气压力/KPa		87.5
	时间/s		9
送丝	Ⅰ段	时间/s	1.2
		速度/mm·s-1	15
	Ⅱ段	时间/s	1.2
		速度/mm·s-1	16
	Ⅲ段	时间/s	1.3
		速度/mm·s-1	17
冷却	空冷时间/s		5
	水冷时间/s		3

3 样品检验

3.1 金相分析

按照YS/T 347-2004《铜及铜合金平均晶粒度测定方法》^[5]规定对焊缝进行晶粒度测量，测量位置为焊点以上2～5mm位置处，具体金相分析的结果如表2。

由表2可知，按试验参数未进行补焊生产的样品平均晶粒度为0.09～0.13mm之间，补焊样品的晶粒度在0.14～0.18mm之间。面积法与截距法获取的晶粒度获差异较小，直取法获得的晶粒度较面积法/截距法获得的晶粒度平均偏大18.75%，这主要是因为直取法肉眼易忽视较小颗粒导致。

表2 不同工艺参数焊接样品金相分析结果

组别	工艺参数调整			单晶粒直径/mm
	参数类别	实际值	直取法		面积法		截距法		均值
第一组 加热时间差异	加热时间s	7	0.12		0.09		0.10		0.10
		9	0.13		0.11		0.10		0.11
		11	0.20		0.13		0.13		0.13
第二组 加热温度差异	天燃气/氧气压力 KPa	61/78.5	0.12		0.09		0.08		0.09
		70/87.5	0.13		0.10		0.09		0.10
		79/96.5	0.16		0.12		0.12		0.12
第三组 冷却温度差异	冷却温度℃	0	0.12		0.10		0.10		0.10
		22	0.13		0.11		0.09		0.10
		60	0.13		0.11		0.11		0.11
第四组 补焊1次	量产参数（如表1）			0.16		0.15		0.14	0.15
				0.15		0.14		0.14	0.14
				0.17		0.16		0.15	0.16
				0.16		0.13		0.14	0.14
第五组 补焊2次	量产参数（如表1）			0.17		0.17		0.18	0.18
				0.20		0.16		0.17	0.17
				0.19		0.18		0.18	0.18
				0.21		0.18		0.16	0.17
最大值MAX		mm	0.21		0.18		0.18		0.18
最小值MIN		mm	0.12		0.09		0.08		0.09
平均值AVE		mm	0.16		0.13		0.13		0.13

3.2 外观检查

同组试验使用同批次物料在同一时间制作样品，避免天气、设备、气源波动的影响，制作完后对对焊缝外观进行检查，可看出加热时间缩短与加热温度降低样品外观较差，存在焊料未完全熔合不良，钎焊表面不光滑，加热时间延长与加热温度升高样品存在咬边、焊瘤等明显缺陷，其余样品外观良好，焊缝圆滑饱满，未出现气孔、夹渣、焊瘤、咬边、未熔等缺陷。

3.3 熔深确认

对管接头焊缝解剖确认焊缝熔深，要求焊缝熔合深度≥6mm。解剖结果确认各试验样品熔深为7～8mm，符合产品熔深要求。

3.4 耐压试验

对钎焊管接头进行耐压检测，耐压试验压力按照GB/T 18033-2017《无缝铜水管和铜气管》^[6]标准。根据管接头实际最高工作压力4.3MPa，要求使用6.45MPa水压保压3min无渗漏、开裂、变形现象。耐压试验结果确认各试验样品均达到耐压要求。

3.5 耐破坏压力试验

对钎焊管接头进行耐破坏压力试验检测，该试验要求耐破坏压力不得小于13MPa。具体要求将一端封闭，另一端加水压或油压直至有裂漏产生，记录产生裂漏时的压力值，如加压至30 MPa仍未有裂漏产生，则停止试验，记录测试最终压力值。耐破坏压力试验结果确认各试验样品均达到耐破坏压力要求，具体耐破坏能力见表4。

由表3可知，按试验参数生产的样品耐破坏能力均满足要求。加热时间的增加或减少均会造成耐破坏压力下降，管接头经补焊后耐破坏压力下降明显，而加热温度及冷却温度变化组样品耐破坏压力差异较小。

表3 不同晶粒度样品耐破坏能力试验结果

组别	工艺参数调整		单晶粒直径 mm		耐破坏压力/MPa
	参数类别	实际值			测量值	均值
第一组 加热时间差异	加热时间 s	7		0.10		26.8	26.95
						27.1
		9		0.11		27.2	27.15
						27.1
		11		0.13		25.9	26.10
						26.3
第二组 加热温度差异	天燃气/氧气压力 KPa	61/78.5		0.09		27.3	27.50
						27.7
		70/87.5		0.10		27.1	27.10
						27.1
		79/96.5		0.12		26.6	26.80
						27.0
第三组 冷却温度差异	冷却温度 ℃	0		0.10		27.2	27.25
						27.3
		22		0.10		27.5	27.10
						26.7
		40		0.11		27.5	27.35
						27.2
第四组 补焊1次	量产参数 （如表1）		0.15		24.6
			0.14		25.9
			0.16		23.7
			0.14		25.6
第五组 补焊2次	量产参数 （如表1）		0.18		23.1
			0.17		23.5
			0.18		22.8
			0.17		23.2

3.6 拉伸试验

根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》^[7]中规定的试验方法对管接头进行拉伸测试。抗拉强度试验结果见表4。

由表4可知，加热时间及加热温度的增加或减少均会造成抗拉强度下降，冷却温度差异对产品抗拉强度影响较小。

表4 不同晶粒度样品拉伸试验结果

组别	工艺参数调整		单晶粒直径 mm	抗拉强度/MPa
	参数类别	实际值		测量值	均值
第一组 加热时间差异	加热时间 s	7	0.10	205.60	206.62
				207.63
		9	0.11	231.55	235.88
				240.20
		11	0.13	201.53	202.04
				202.54
第二组 加热温度差异	天燃气/氧气压力 KPa	61/78.5	0.09	240.20	240.46
				240.71
		70/87.5	0.10	231.55	235.88
				240.20
		79/96.5	0.12	205.60	206.62
				207.63
第三组 冷却温度差异	冷却温度 ℃	0	0.10	238.17	239.19
				240.20
		22	0.10	237.15	235.37
				233.59
		40	0.11	221.88	222.14
				222.39
第四组 补焊1次	量产参数 （如表1）		0.15	215.19
			0.14	205.52
			0.16	235.03
			0.14	206.54
第五组 补焊2次	量产参数 （如表1）		0.18	200.95
			0.17	202.47
			0.18	206.54
			0.17	217.73

4 试验结论

（1）加热时间及燃气&氧气压力的波动易造成焊料未完全熔合或咬边异常，外观不良焊点耐破坏及抗拉能力会弱化

（2）随着加热时间/氧气&燃气/冷却温度的增加，单晶粒会变大，其间存在明显的正相关，晶粒度粗大可通过减少加热时间、降低加热温度等进行改善

（3）根据耐破坏压力试验与拉伸试验确认：该产品最佳加热时间为9s，最佳天燃气/氧气压力组合值为61/78.5KPa

（4）晶粒度在0.10～0.14间产品耐破坏能力差异较小，耐破坏压力下降率控制在6.5%以内，晶粒度大于0.14后耐破坏压力急剧下降，在晶粒度为0.18时下降率达到16.55%。晶粒度大于0.14后，产品品质会显著下降，这主要是因为存在二次结晶导致产品不够稳定，B型管接头焊缝晶粒度按照＜0.15控制较为合理

（5）B型管接头补焊后晶粒度＞0.14mm，产品品质出现恶化，故B型管接头不得直接在设备上补焊/返工

图1 晶粒度大小与产品耐破坏压力相关图

【参考文献】

[1]赵越,等.钎焊技术及应用[M].化学工业出版社,2004.

[2]李德华, 王奇, 邢煊烨. 空调管路火焰钎焊理论研究[J].日用电器,2015(8):213-217.

[3]全国有色金属标准化技术委员会. 空调与制冷设备用铜及铜合金无缝管[S].中国标准出版社,2017.

[4]全国焊接标准化技术委员会.铜基钎料[S].中国标准出版社,2008.

[5]全国有色金属标准化技术委员会.铜及铜合金平均晶粒度测定方法[S].中国标准出版社,2004.

[6]全国有色金属标准化技术委员会.无缝铜水管和铜气管[S].中国标准出版社,2017.

[7]全国钢标准化技术委员会.金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方案[S].中国标准出版社,2010.