大截面紫銅母線鎢極氬弧焊焊接工藝解讀

1、大截面紫銅母線鎢極氬弧焊焊接工藝(上)銅母線的連接在電站、冶金裝置中經(jīng)常遇到，其連接方式有夾接法(螺柱緊固)、焊接法等。對(duì)大截面紫銅母線的焊接就國內(nèi)目前的資料顯示，有碳弧焊、埋弧焊及鎢極氬弧焊幾種。碳弧焊預(yù)熱溫度較高，須保證焊口母材溫度750以上，焊縫外觀成形一般，且高溫產(chǎn)生的Cu2O蒸汽易使焊工中毒，同時(shí)易引起滲碳，塑性較差，電阻率較大。埋弧焊預(yù)熱溫度稍低，約500左右，質(zhì)量較穩(wěn)定，但電流、電壓稍高，分別為750 A800 A、40 V50 V左右，且焊劑用量較大，國內(nèi)尚未有焊接大截面、大長度母線的介紹。鎢極氬弧焊從目前國內(nèi)的規(guī)范顯示，僅適用于12的銅母線焊接，對(duì)12的單面V形坡口的紫銅母線

2、焊接則指導(dǎo)性不強(qiáng)。在某煉鋅廠兩套15 000噸/年電解鋅裝置中，設(shè)計(jì)要求采用焊接連接法，但未明確焊接工藝及方法。在充分考慮改善焊縫質(zhì)量、勞動(dòng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)、國外經(jīng)驗(yàn)，采用了在預(yù)熱條件下的水冷式鎢極氬弧焊工藝，焊縫外觀成型良好，內(nèi)在質(zhì)量保證級(jí)合格，基本解決了銅焊接中普遍存在的夾渣、氣孔缺陷，成功地完成了該工程的安裝任務(wù)。1 紫銅的可焊性該工程所用銅為含氧銅T1，其雜質(zhì)總含量0.05，其中氧為0.02，其物理性能如表1所示。表1 含氧銅T1的物理性能表指標(biāo)指標(biāo)值指標(biāo)指標(biāo)值晶格類型面心立方晶格導(dǎo)熱系數(shù)386.4W/(mk) 熔點(diǎn)1083線脹系數(shù)16.5×10-6K-1沸點(diǎn)2580電

3、阻率168×0-10m 密度8.96kg/cm3 紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)20時(shí)比鐵大7倍，1 000時(shí)大11倍多，焊接時(shí)熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以融合，因此焊接時(shí)須采用大功率熱源并采取預(yù)熱，施焊時(shí)才易形成熔池。T1的線脹系數(shù)比鐵大15%，為避免近縫區(qū)產(chǎn)生襲紋，保證焊接時(shí)間隙，故組對(duì)時(shí)應(yīng)保證足夠的間隙；同時(shí)其收縮率比鐵大1倍以上，為防止熔池由液相變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，層間溫度差較大形成襲紋，故施焊時(shí)應(yīng)保證層間溫度。含氧銅焊接時(shí)極易形成氣孔，其產(chǎn)生原因主要為氧和水汽，其中氧形成反應(yīng)氣孔，水汽產(chǎn)生擴(kuò)散氣孔，故須采取焊粉脫氧及緩冷等措施。為防止出現(xiàn)富鉛或富鉍的低熔點(diǎn)共晶，焊后應(yīng)采取水潤法快

4、速冷切，錘擊減應(yīng)。為保證焊縫根部成型及收弧處接頭平滑、減少熱量損失，施焊時(shí)應(yīng)制備石墨墊板、擋板及堵塊。2 焊前準(zhǔn)備2.1 工器具的準(zhǔn)備1)整理焦碳加熱爐。2)準(zhǔn)備石墨墊板。3)準(zhǔn)備石墨擋板與堵塊各2塊。4)絕熱材料選用石棉被。2.2 組對(duì)及預(yù)熱1)坡口采用刨床加工，為單面V形，坡口角度55°±5°，鈍邊1 mm，預(yù)熱前組對(duì)間隙宜為4 mm5 mm。2)組對(duì)前，采用磨光機(jī)處理坡口側(cè)50 mm范圍內(nèi)保護(hù)層至露出金屬光澤為止。3)預(yù)熱如圖1所示。圖1 預(yù)熱裝置?1-母線；2-石墨墊板；3-焦碳爐；?4-鼓風(fēng)機(jī)；5-石棉被；6-擋板3 焊接工藝3.1 焊機(jī)及焊材的選取1)

5、焊機(jī)選用2臺(tái)Z630焊機(jī)，并聯(lián)，正極性接法，保證電流平穩(wěn)，焊槍為500 A。2)焊絲選用6紫銅焊絲，并在焊接前用砂紙打磨，焊劑選用氣劑301。3.2 預(yù)熱預(yù)熱采用焦碳爐持續(xù)加熱至350600后(采取遠(yuǎn)紅外測溫槍測試)，用石棉被包裹焊縫兩邊400 mm寬范圍后，關(guān)掉鼓風(fēng)機(jī)，保證加熱爐繼續(xù)加熱。此時(shí)，組對(duì)間隙因膨脹縮為2mm3mm，在焊縫區(qū)均勻撒上氣劑301后，可以施焊。3.3 焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)如表2所示。表2 焊接工藝參數(shù)焊接層數(shù)電流電壓鎢極焊絲氬氣流量打底350 A 20 V6鈰鎢極6 1517(L/min) 填充蓋面400 A 20 V6鈰鎢極6 1517(L/min)焊接時(shí)，采用左

6、焊法，為減少氧化，焊接速度應(yīng)快。為便于觀察熔池及填加焊絲，焊槍與工件夾角宜為7585，焊絲與焊件間夾角為10°20°，操作時(shí)焊槍應(yīng)均勻、平穩(wěn)地向前作直線運(yùn)動(dòng)，并保持恒定的電弧長度，弧長一般控制在2mm4mm，當(dāng)填充或蓋面時(shí)，焊絲應(yīng)做輕微橫向擺，在接頭填滿后，逐漸拉長電弧滅弧。層間焊接時(shí)，應(yīng)持續(xù)保證焊縫區(qū)溫度350600左右，并不宜過長停留。300×6紫銅板焊接，從加熱至焊接完畢，一般需40 min左右，施焊時(shí)間僅為10 min。4 焊后處理1)焊后應(yīng)采取水潤法快速冷切，錘擊減應(yīng)，防止出現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶，增加銅母線韌性。2)冷卻后用鋼絲刷清理熔渣，并酸洗清除焊縫熱影響區(qū)

7、氧化層。3)對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查。5機(jī)具設(shè)備焊接機(jī)具準(zhǔn)備如下。焊機(jī)Z630 2臺(tái)并聯(lián)焊槍500 A水冷式氬弧焊把1把等離子切割機(jī)Z200 1臺(tái)空壓機(jī) 1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)2001臺(tái)爐子400×002臺(tái)石墨板20 20道口/1塊吊車8t 1臺(tái)倒鏈2t 2個(gè)紅外測溫槍M130T 1個(gè)防輔射勞保服 2套6勞動(dòng)力組織焊工2名鉚工2名司爐工1名等離子切割機(jī)操作工1名技術(shù)員1名7質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)7.1質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接接頭表面質(zhì)量按HGJ223-1992執(zhí)行，內(nèi)在質(zhì)量執(zhí)行JB4730-1994級(jí)合格，電阻率采取雙臂電橋測試法，應(yīng)符合GBJ149-1990。7.2質(zhì)量保證措施1)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并依評(píng)定現(xiàn)場試焊后，

8、確定作業(yè)指導(dǎo)書。2)焊工經(jīng)培訓(xùn)合格后方能上崗。3)焊機(jī)及氬氣瓶上的計(jì)量器具必須在校驗(yàn)周期內(nèi)，指示準(zhǔn)確。4)嚴(yán)格工序交接檢查制度，不合格部份必須處理后，方能進(jìn)行下道工序。8焊接質(zhì)量用于工藝試驗(yàn)的兩塊300×00試件，經(jīng)外觀檢查、著色顯示熔合良好、無缺陷后，進(jìn)行X射線照相，經(jīng)檢驗(yàn)無夾渣缺陷，僅有一處氣孔，依JB4730-1994評(píng)定級(jí)合格。然后，制取試，進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合HGJ223-1992要求，電阻率采用雙臂電橋測試法，測定結(jié)果最大電阻率0.015mm2m，符合GBJ149-1990要求。9經(jīng)濟(jì)效益分析采用該焊接工藝后，焊縫外觀成型良好，質(zhì)量得到保證，避免了碳弧焊高溫對(duì)焊

9、工的強(qiáng)烈輔射，且適應(yīng)場所更大，對(duì)難于采用爐子加熱的場所用大焊炬氣焊加熱后，也可順利施焊，同時(shí)對(duì)母線與導(dǎo)電片(角焊縫)、母線的軟連接(對(duì)接縫)等各類型式的接頭，也可在其指導(dǎo)下成功焊接，適用范圍更廣。相對(duì)于碳弧焊接，氬弧焊接電阻率更低，焊縫氣孔更少，質(zhì)量更穩(wěn)定；相對(duì)于埋弧焊接，氬弧焊更易于使焊工掌握，且更適用于現(xiàn)場的窄幅、大長度母線焊接；相對(duì)于原母線采取的夾接連接，氬弧焊后母線的耗電更少，商煉一期裝置投產(chǎn)表明，其每生產(chǎn)1噸電解鋅片比原省電60度，年可減少成本支出45萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。10工程應(yīng)用實(shí)例陜西鋅業(yè)公司某煉鋅廠2套15 000噸/年電解鋅工程中有80多噸紫銅母線，材質(zhì)為T1，截面為3

10、00mm×16mm，200mm×12mm，200mm×28mm不等，單根母線長達(dá)17m，并有部分導(dǎo)電片(250mm×12mm，間距62mm)與母線的角連接、鑲嵌連接，設(shè)計(jì)要求均為焊接。采用預(yù)熱條件下的氬弧焊接，焊縫外觀成型良好，對(duì)其試件測試，接頭內(nèi)在質(zhì)量、機(jī)械性能及電阻率等技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)規(guī)定，每套裝置焊接工期僅為25天，提前完成任務(wù)，保證了該廠的順利投產(chǎn)。11結(jié)論1)鎢極氬弧焊接對(duì)大截面紫銅母線來說是一種預(yù)熱溫度較低、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便、施焊環(huán)境較好的方法，對(duì)12mm的銅及其合金焊接具有一定的指導(dǎo)作用。但含氧銅焊接中普遍存在氣孔通過使用焊粉、保證

11、層間溫度仍難以消除，從理論上講，可通過控制氬氣及周圍環(huán)境中的氫、氮的含量來消除氣孔，但在實(shí)際中很難達(dá)到。2)氣孔產(chǎn)生的部位主要是焊接接頭處，其原因?yàn)橄ɑ『鬁囟冉档汀怏w來不及析出造成。故宜接長焊條、每層連續(xù)焊完。3)對(duì)不同截面的紫銅母線角連接、軟連接、鑲嵌連接，其預(yù)熱溫度及工藝參數(shù)與對(duì)接時(shí)參數(shù)差別不大，宜根據(jù)截面大小及接頭型式采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱方法(如船形焊)進(jìn)行焊接變電所紫銅排母線的現(xiàn)場焊接生意社12月19日訊   劉家發(fā) 賀長河 大慶油田建設(shè)集團(tuán) 163453摘要 根據(jù)油田聯(lián)合站變電所施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，針對(duì)變電所配電柜截面120×12mm紫銅排母線焊接難點(diǎn)及焊接質(zhì)量要求，

12、采用氬弧焊工藝，焊前預(yù)熱，焊中保持高熱輸入?yún)?shù)，并采用特殊夾具等方法，成功進(jìn)行了紫銅母線的現(xiàn)場焊接，獲得令人滿意的效果。 關(guān)鍵詞：紫銅排母線 鎢極氬弧焊 焊接工藝   0 前言 大慶油田某聯(lián)合站工程中的變電所高壓配電柜的母線，設(shè)計(jì)首次采用了紫銅排對(duì)接接頭連接形式，改變了以往通常采用的鋁排或紫銅排搭接結(jié)構(gòu)氣焊連接方式；該工程紫銅排母線截面較大，現(xiàn)場連接要在空中作業(yè)，焊接質(zhì)量要求高，焊接施工難度較大。在該工程施工中，筆者通過反復(fù)試驗(yàn)，摸索出一套合適的焊接工藝規(guī)范，采用水冷式鎢極氬弧焊方法，整理了特殊的工裝卡具進(jìn)行組對(duì)，焊前采取特殊工具預(yù)熱，焊接過程中保持高熱輸入?yún)?shù)，嚴(yán)格控制層間溫度，成

13、功地實(shí)現(xiàn)了紫銅排母線的現(xiàn)場焊接，確保了工程進(jìn)度和焊接質(zhì)量。以下簡要介紹該焊接工藝，僅供交流參考。 1 紫銅的焊接性分析 施工中所用的紫銅牌號(hào)為T1，其純度在99.95%以上，其余為雜質(zhì)。比較銅與鋼的物理性能，其焊接性問題主要有： （1）紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)20時(shí)比鐵大7倍多，1000時(shí)為鋼的11倍多。焊接時(shí)熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以熔合，因此焊接時(shí)必須采用較大功率的熱源，焊前和焊接時(shí)都要采取預(yù)熱和加熱措施。 （2）紫銅的線脹系數(shù)比鐵大15%，而收縮率又比鋼大1倍多，再加上其導(dǎo)熱能力強(qiáng)，焊接熱影響區(qū)寬，焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力。因此，組對(duì)時(shí)應(yīng)保證足夠的間隙，施焊時(shí)應(yīng)保證層間溫度

14、。 （3）紫銅的表面張力系數(shù)僅為鋼的70%，焊接時(shí)，銅液易下淌，根部成型不好，在全位置焊接時(shí)更為嚴(yán)重。在空中位置進(jìn)行焊接施工時(shí)，焊縫的背面應(yīng)采取加墊板等相應(yīng)的技術(shù)措施。 （4）焊縫及熔合區(qū)易產(chǎn)生氣孔。主要是由氫和水汽所引起，由于銅在液態(tài)時(shí)能溶解大量的氫，而在凝固時(shí)氫的溶解度急劇減小，大量的氫要向外逸出，加上銅的導(dǎo)熱性強(qiáng)，熔池凝固特別快，氫氣來不及逸出，就在焊縫中形成氣孔。因此，焊接施工時(shí)，要保持焊接區(qū)有好的環(huán)境，控制焊縫冷卻速度。 2 焊接工藝 2.1焊接方法的選擇 該工程中的變電所高壓配電柜的紫銅排母線，其截面尺寸為120×12mm，設(shè)計(jì)為對(duì)接焊接接頭，部分接頭的焊接必須在高壓配電

15、柜的上部空中位置進(jìn)行，預(yù)熱及焊接條件都較差，焊接方法的選擇要適應(yīng)這種現(xiàn)場條件。 由于紫銅的導(dǎo)熱性極強(qiáng)，母材不易熔化，易產(chǎn)生裂紋、氣孔、未熔合及根部成型不好等缺陷，焊接變形大，焊后母材機(jī)械性能降低幅度較大，采用普通手弧焊方法時(shí)，焊縫的含氫、含氧量較高，鋅蒸發(fā)嚴(yán)重，容易出氣孔，焊后接頭強(qiáng)度低，導(dǎo)電性下降較多，厚件焊接不宜采用；氣焊時(shí)熱源的溫度低、能量密度小、熱能分散，使焊件受熱面積大、變形嚴(yán)重、成形差等，也不宜采用；碳弧焊預(yù)熱溫度較高，須保證焊口母材溫度750以上，焊縫外觀成形一般，且高溫產(chǎn)生的Cu2O蒸汽易使焊工中毒，同時(shí)易引起滲碳，塑性較差，電阻率較大。埋弧焊預(yù)熱溫度稍低，約500左右，質(zhì)量較

16、穩(wěn)定，但母線焊件尺寸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場條件不適合采用；由于鎢極氬弧焊具有電弧穩(wěn)定、能量集中、保護(hù)效果好、熔池體積易于控制、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證焊接質(zhì)量，因此，選擇了鎢極氬弧焊方法。 2.2 焊材選擇 焊接材料選用型號(hào)為HSCu201、規(guī)格為3.0mm或4.0mm焊絲，氬弧焊鎢極采用4.0mm的鈰鎢極，保護(hù)氣體為Ar氣，要求Ar氣體純度在99.99%以上。 2.3 坡口形式及尺寸 CP  圖1 對(duì)接焊坡口形式及尺寸 坡口采用V形坡口，其形式如圖1所示。板厚=12mm，坡口角度為=60°±5°，對(duì)口間隙為C=23mm，鈍邊P=1±0.5mm。采用砂

17、輪機(jī)打磨加工坡口。 2.4 焊接設(shè)備及機(jī)具選擇 焊接電源應(yīng)選用額定電流450A以上的直流氬弧焊電源；焊槍選用500A以上水冷氬弧焊槍；預(yù)熱及焊接過程加熱采用特制大號(hào)的氧乙炔火焰加熱器；現(xiàn)場預(yù)熱與焊接時(shí)，可采用半導(dǎo)體測溫筆或遠(yuǎn)紅外測溫槍進(jìn)行溫度監(jiān)測。 2.5 焊接工藝參數(shù) 焊接施工時(shí)，采用大熱輸入規(guī)范參數(shù)，見下表1。 表1 紫銅排母線焊接工藝參數(shù) 焊道 層數(shù) 焊接電流 I（A） 焊接電壓 U（V） 極性 氬氣流量Q （L/min） 打底層 320340 2324 直流正接 1618 填充層 350360 2627 直流正接 1820 蓋面層 350360 2627 直流正接 1820  

18、; 3 焊接施工要點(diǎn) （1）為防止焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接前需對(duì)工件及焊絲表面進(jìn)行機(jī)械清理，將坡口兩側(cè)表面50mm范圍內(nèi)清刷干凈，不得有氧化膜、水和油污，坡口加工面應(yīng)無毛刺和飛邊。然后用丙酮清洗接頭焊縫及附近區(qū)域。 （2）焊前對(duì)口應(yīng)平直，其彎折偏移不應(yīng)大于0.2%，中心線偏移不應(yīng)大于0.5%。 （3）預(yù)熱溫度和層間溫度保持在600以上（紫銅排母線呈現(xiàn)淡紅色）。為此，在焊接過程中，要始終用大號(hào)火焰加熱器不斷加熱，采用較大的焊接熱輸入?yún)?shù)進(jìn)行連續(xù)施焊。為保證工件質(zhì)量，盡量保持水平焊接位置。 （4）焊接過程中需采取較大的焊接規(guī)范，使焊縫金屬保持較高的溫度，因此必須選擇水冷焊槍。焊接時(shí)，采用左焊法，焊槍與

19、工件夾角宜為75°85°，焊絲與焊件間夾角為10°20°，操作時(shí)焊槍應(yīng)均勻、平穩(wěn)地向前作直線運(yùn)動(dòng)，并保持恒定的電弧長度。當(dāng)填充或蓋面時(shí)，焊絲應(yīng)做輕微橫向擺動(dòng)，在接頭填滿后，逐漸拉長電弧滅弧。每個(gè)焊縫應(yīng)一次焊完，除瞬間斷弧外不得停焊，焊接結(jié)束時(shí)要注意收弧，防止收弧處出現(xiàn)弧坑而影響焊接質(zhì)量。 （5）焊接過程中要采取有效措施加強(qiáng)安全防護(hù)。由于施焊部位長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，所以現(xiàn)場焊工焊接操作時(shí)，要在工件被焊部位處加特制的隔熱板，以防止焊接工人燙傷、燒傷。 （6）每個(gè)焊口焊完后，應(yīng)采用小火焰加熱器對(duì)焊逢繼續(xù)加熱一段時(shí)間，降低焊縫的冷卻速度。另外，焊接完一道焊口后，

20、為避免焊槍的過熱，應(yīng)停焊一段時(shí)間，使焊槍冷卻后，再焊下一道焊縫。 （7）為減少空中焊接作業(yè)，紫銅排母線的接長焊接可以在地面上進(jìn)行，采用雙面焊。這時(shí)紫銅排母線的組對(duì)間隙可以減小或不留間隙。焊縫正面焊完后，進(jìn)行反面焊接前，要采用砂輪機(jī)進(jìn)行反面清根處理。 為了保持焊后紫銅排母線的基本尺寸，減少焊接變形，地面焊接施工時(shí)，針對(duì)紫銅排母線結(jié)構(gòu)尺寸，制做了特殊卡具，如圖2所示。預(yù)熱及焊接前先將紫銅排母線卡緊，強(qiáng)制防止其產(chǎn)生焊接變形。母線焊完未冷卻前，不得移動(dòng)或受力。對(duì)于局部超標(biāo)的焊接變形，焊后采取水火矯形等措施進(jìn)行矯正。 固定楔塊焊縫卡具固定楔塊焊口銅排固定槽鋼焊接操作引出板  

21、0;   圖2：紫銅排母線接長連接工裝卡具示意圖 （8）在空中位置焊接時(shí)，采用單面焊，反面加陶瓷襯墊，襯墊形狀的選擇要保證焊縫加強(qiáng)高的尺寸要求，要留有足夠的間隙?？罩薪M對(duì)工裝卡具基本形狀與圖2所示相似，但工裝卡具的長度較短，重量較輕?？罩泻附幼鳂I(yè)時(shí)，要多人配合，必須時(shí)時(shí)注意安全，防止?fàn)C傷或燒傷。 4 焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢驗(yàn) 4.1 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 紫銅排母線的焊接質(zhì)量執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ14990電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定。電阻率可以采取雙臂電橋測試法。 4.2 質(zhì)量保證措施 （1）焊接前要制定工藝試驗(yàn)方案，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并依據(jù)工藝評(píng)定進(jìn)行現(xiàn)場試焊，然后確定現(xiàn)場焊接作業(yè)指導(dǎo)書。 （2）焊工應(yīng)經(jīng)培訓(xùn)考試合格后，方能上崗。 （3）焊機(jī)及氬氣瓶上的計(jì)量器具必須在校驗(yàn)周期內(nèi)，指示準(zhǔn)確。氬氣純度要達(dá)到99.99%以上。 （4）嚴(yán)格執(zhí)行工序交接檢查制度，不合格部位必須處理后，方能進(jìn)行下道工序施工。 4.3