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1、大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺 在某炼锌厂两套15 000吨/年电解锌装置中，设计要求采用焊接连接法，但未明确焊接工艺及方法。在充分考虑改善焊缝质量、劳动环境的基础上，借鉴国内、国外经验，采用了在预热条件下的水冷式钨极氩弧焊工艺，焊缝外观成型良好，内在质量保证级合格，基本解决了铜焊接中普遍存在的夹渣、气孔缺陷，成功地完成了该工程的安装任务。 1 紫铜的可焊性 该工程所用铜为含氧铜T1，其杂质总含量0.05，其中氧为0.02，其物理性能如表1所示。 表1 含氧铜T1的物理性能表 指标指标值指标指标值晶格类型面心立方晶格导热系数386.4W/(m?k) 熔点1083线胀系数16.510-6K-1
2、沸点2580电阻率1680-10?m 密度8.96kg/cm3 紫铜的导热系数20时比铁大7倍，1 000时大11倍多，焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以融合，因此焊接时须采用大功率热源并采取预热，施焊时才易形成熔池。 T1的线胀系数比铁大15%，为避免近缝区产生袭纹，保证焊接时间隙，故组对时应保证足够的间隙；同时其收缩率比铁大1倍以上，为防止熔池由液相变为固态时，层间温度差较大形成袭纹，故施焊时应保证层间温度。 含氧铜焊接时极易形成气孔，其产生原因主要为氧和水汽，其中氧形成反应气孔，水汽产生扩散气孔，故须采取焊粉脱氧及缓冷等措施。 为防止出现富铅或富铋的低熔点共晶，焊后应采
3、取水润法快速冷切，锤击减应。 为保证焊缝根部成型及收弧处接头平滑、减少热量损失，施焊时应制备石墨垫板、挡板及堵块。 2 焊前准备 2.1 工器具的准备 1)制作焦碳加热炉。 2)准备石墨垫板。 3)准备石墨挡板与堵块各2块。 4)绝热材料选用石棉被。 2.2 组对及预热 1)坡口采用刨床加工，为单面V形，坡口角度555，钝边1 mm，预热前组对间隙宜为4 mm5 mm。 2)组对前，采用磨光机处理坡口侧50 mm范围内保护层至露出金属光泽为止。 3)预热如图1所示。 图1 预热装置 ?1-母线；2-石墨垫板；3-焦碳炉； ?4-鼓风机；5-石棉被；6-挡板 3 焊接工艺 3.1 焊机及焊材的选
4、取 1)焊机选用2台Z630焊机，并联，正极性接法，保证电流平稳，焊枪为500 A。 2)焊丝选用6紫铜焊丝，并在焊接前用砂纸打磨，焊剂选用气剂301。 3.2 预热 预热采用焦碳炉持续加热至350600后(采取远红外测温枪测试)，用石棉被包裹焊缝两边400 mm宽范围后，关掉鼓风机，保证加热炉继续加热。此时，组对间隙因膨胀缩为2mm3mm，在焊缝区均匀撒上气剂301后，可以施焊。 3.3 焊接工艺参数 焊接工艺参数如表2所示。 表2 焊接工艺参数 焊接层数电流电压钨极焊丝氩气流量打底350 A 20 V6铈钨极6 1517(L/min) 填充盖面400 A 20 V6铈钨极6 1517(L/
5、min) 焊接时，采用左焊法，为减少氧化，焊接速度应快。为便于观察熔池及填加焊丝，焊枪与工件夹角宜为7585，焊丝与焊件间夹角为1020，操作时焊枪应均匀、平稳地向前作直线运动，并保持恒定的电弧长度，弧长一般控制在2mm4mm，当填充或盖面时，焊丝应做轻微横向摆，在接头填满后，逐渐拉长电弧灭弧。 层间焊接时，应持续保证焊缝区温度350600左右，并不宜过长停留。 3006紫铜板焊接，从加热至焊接完毕，一般需40 min左右，施焊时间仅为10 min。 4 焊后处理 1)焊后应采取水润法快速冷切，锤击减应，防止出现低熔点共晶，增加铜母线韧性。 2)冷却后用钢丝刷清理熔渣，并酸洗清除焊缝热影响区氧
6、化层。 3)对焊缝进行外观检查。 5机具设备 焊接机具准备如下。 焊机Z630 2台并联焊枪500 A水冷式氩弧焊把1把等离子切割机Z200 1台空压机 1台鼓风机2001台炉子400002台石墨板20 20道口/1块吊车8t 1台倒链2t 2个红外测温枪M130T 1个防辅射劳保服 2套 6劳动力组织 焊工2名铆工2名司炉工1名等离子切割机操作工1名技术员1名 7质量标准及检验 7.1质量标准 对接接头表面质量按HGJ223-1992执行，内在质量执行JB4730-1994级合格，电阻率采取双臂电桥测试法，应符合GBJ149-1990。 7.2质量保证措施 1)进行焊接工艺评定，并依评定现场
7、试焊后，确定作业指导书。 2)焊工经培训合格后方能上岗。 3)焊机及氩气瓶上的计量器具必须在校验周期内，指示准确。 4)严格工序交接检查制度，不合格部份必须处理后，方能进行下道工序。 8焊接质量 用于工艺试验的两块30000试件，经外观检查、着色显示熔合良好、无缺陷后，进行X射线照相，经检验无夹渣缺陷，仅有一处气孔，依JB4730-1994评定级合格。然后，制取试，进行机械性能试验，试验结果符合HGJ223-1992要求，电阻率采用双臂电桥测试法，测定结果最大电阻率0.015mm2m，符合GBJ149-1990要求。 9经济效益分析 采用该焊接工艺后，焊缝外观成型良好，质量得到保证，避免了碳弧
8、焊高温对焊工的强烈辅射，且适应场所更大，对难于采用炉子加热的场所用大焊炬气焊加热后，也可顺利施焊，同时对母线与导电片(角焊缝)、母线的软连接(对接缝)等各类型式的接头，也可在其指导下成功焊接，适用范围更广。 相对于碳弧焊接，氩弧焊接电阻率更低，焊缝气孔更少，质量更稳定；相对于埋弧焊接，氩弧焊更易于使焊工掌握，且更适用于现场的窄幅、大长度母线焊接；相对于原母线采取的夹接连接，氩弧焊后母线的耗电更少，商炼一期装置投产表明，其每生产1吨电解锌片比原省电60度，年可减少成本支出45万元左右，经济效益明显。 10工程应用实例 陕西锌业公司某炼锌厂2套15 000吨/年电解锌工程中有80多吨紫铜母线，材质
9、为T1，截面为300mm16mm，200mm12mm，200mm28mm不等，单根母线长达17m，并有部分导电片(250mm12mm，间距62mm)与母线的角连接、镶嵌连接，设计要求均为焊接。采用预热条件下的氩弧焊接，焊缝外观成型良好，对其试件测试，接头内在质量、机械性能及电阻率等技术指标均符合设计规定，每套装置焊接工期仅为25天，提前完成任务，保证了该厂的顺利投产。 11结论 1)钨极氩弧焊接对大截面紫铜母线来说是一种预热温度较低、焊接质量稳定、操作方便、施焊环境较好的方法，对12mm的铜及其合金焊接具有一定的指导作用。但含氧铜焊接中普遍存在气孔通过使用焊粉、保证层间温度仍难以消除，从理论上
10、讲，可通过控制氩气及周围环境中的氢、氮的含量来消除气孔，但在实际中很难达到。 2)气孔产生的部位主要是焊接接头处，其原因为熄弧后温度降低、气体来不及析出造成。故宜接长焊条、每层连续焊完。 3)对不同截面的紫铜母线角连接、软连接、镶嵌连接，其预热温度及工艺参数与对接时参数差别不大，宜根据截面大小及接头型式采取适当的预热方法(如船形焊)进行焊接 生意社12月19日讯 刘家发 贺长河 大庆油田建设集团 163453 摘要 根据油田联合站变电所施工现场的实际情况，针对变电所配电柜截面12012mm紫铜排母线焊接难点及焊接质量要求，采用氩弧焊工艺，焊前预热，焊中保持高热输入参数，并采用特殊夹具等方法，成
11、功进行了紫铜母线的现场焊接，获得令人满意的效果。 关键词：紫铜排母线 钨极氩弧焊 焊接工艺 0 前言 大庆油田某联合站工程中的变电所高压配电柜的母线，设计首次采用了紫铜排对接接头连接形式，改变了以往通常采用的铝排或紫铜排搭接结构气焊连接方式；该工程紫铜排母线截面较大，现场连接要在空中作业，焊接质量要求高，焊接施工难度较大。在该工程施工中，笔者通过反复试验，摸索出一套合适的焊接工艺规范，采用水冷式钨极氩弧焊方法，制作了特殊的工装卡具进行组对，焊前采取特殊工具预热，焊接过程中保持高热输入参数，严格控制层间温度，成功地实现了紫铜排母线的现场焊接，确保了工程进度和焊接质量。以下简要介绍该焊接工艺，仅供
12、交流参考。 1 紫铜的焊接性分析 施工中所用的紫铜牌号为T1，其纯度在99.95%以上，其余为杂质。比较铜与钢的物理性能，其焊接性问题主要有： （1）紫铜的导热系数20时比铁大7倍多，1000时为钢的11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合，因此焊接时必须采用较大功率的热源，焊前和焊接时都要采取预热和加热措施。 （2）紫铜的线胀系数比铁大15%，而收缩率又比钢大1倍多，再加上其导热能力强，焊接热影响区宽，焊接时易产生较大的变形和应力。因此，组对时应保证足够的间隙，施焊时应保证层间温度。 （3）紫铜的表面张力系数仅为钢的70%，焊接时，铜液易下淌，根部成型不好，在全位置
13、焊接时更为严重。在空中位置进行焊接施工时，焊缝的背面应采取加垫板等相应的技术措施。 （4）焊缝及熔合区易产生气孔。主要是由氢和水汽所引起，由于铜在液态时能溶解大量的氢，而在凝固时氢的溶解度急剧减小，大量的氢要向外逸出，加上铜的导热性强，熔池凝固特别快，氢气来不及逸出，就在焊缝中形成气孔。因此，焊接施工时，要保持焊接区有好的环境，控制焊缝冷却速度。 2 焊接工艺 2.1焊接方法的选择 该工程中的变电所高压配电柜的紫铜排母线，其截面尺寸为12012mm，设计为对接焊接接头，部分接头的焊接必须在高压配电柜的上部空中位置进行，预热及焊接条件都较差，焊接方法的选择要适应这种现场条件。 由于紫铜的导热性极
14、强，母材不易熔化，易产生裂纹、气孔、未熔合及根部成型不好等缺陷，焊接变形大，焊后母材机械性能降低幅度较大，采用普通手弧焊方法时，焊缝的含氢、含氧量较高，锌蒸发严重，容易出气孔，焊后接头强度低，导电性下降较多，厚件焊接不宜采用；气焊时热源的温度低、能量密度小、热能分散，使焊件受热面积大、变形严重、成形差等，也不宜采用；碳弧焊预热温度较高，须保证焊口母材温度750以上，焊缝外观成形一般，且高温产生的Cu2O蒸汽易使焊工中毒，同时易引起渗碳，塑性较差，电阻率较大。埋弧焊预热温度稍低，约500左右，质量较稳定，但母线焊件尺寸结构特点及现场条件不适合采用；由于钨极氩弧焊具有电弧稳定、能量集中、保护效果好
15、、熔池体积易于控制、操作灵活等优点，能够保证焊接质量，因此，选择了钨极氩弧焊方法。 2.2 焊材选择 焊接材料选用型号为HSCu201、规格为3.0mm或4.0mm焊丝，氩弧焊钨极采用4.0mm的铈钨极，保护气体为Ar气，要求Ar气体纯度在99.99%以上。 2.3 坡口形式及尺寸 C P 图1 对接焊坡口形式及尺寸 坡口采用V形坡口，其形式如图1所示。板厚=12mm，坡口角度为=605，对口间隙为C=23mm，钝边P=10.5mm。采用砂轮机打磨加工坡口。 2.4 焊接设备及机具选择 焊接电源应选用额定电流450A以上的直流氩弧焊电源；焊枪选用500A以上水冷氩弧焊枪；预热及焊接过程加热采用
16、特制大号的氧乙炔火焰加热器；现场预热与焊接时，可采用半导体测温笔或远红外测温枪进行温度监测。 2.5 焊接工艺参数 焊接施工时，采用大热输入规范参数，见下表1。 表1 紫铜排母线焊接工艺参数 3 焊接施工要点 （1）为防止焊接缺陷的产生，焊接前需对工件及焊丝表面进行机械清理，将坡口两侧表面50mm范围内清刷干净，不得有氧化膜、水和油污，坡口加工面应无毛刺和飞边。然后用丙酮清洗接头焊缝及附近区域。 （2）焊前对口应平直，其弯折偏移不应大于0.2%，中心线偏移不应大于0.5%。 （3）预热温度和层间温度保持在600以上（紫铜排母线呈现淡红色）。为此，在焊接过程中，要始终用大号火焰加热器不断加热，采
17、用较大的焊接热输入参数进行连续施焊。为保证工件质量，尽量保持水平焊接位置。 （4）焊接过程中需采取较大的焊接规范，使焊缝金属保持较高的温度，因此必须选择水冷焊枪。焊接时，采用左焊法，焊枪与工件夹角宜为7585，焊丝与焊件间夹角为1020，操作时焊枪应均匀、平稳地向前作直线运动，并保持恒定的电弧长度。当填充或盖面时，焊丝应 做轻微横向摆动，在接头填满后，逐渐拉长电弧灭弧。每个焊缝应一次焊完，除瞬间断弧外不得停焊，焊接结束时要注意收弧，防止收弧处出现弧坑而影响焊接质量。 （5）焊接过程中要采取有效措施加强安全防护。由于施焊部位长时间处于高温状态，所以现场焊工焊接操作时，要在工件被焊部位处加特制的隔
18、热板，以防止焊接工人烫伤、烧伤。 （6）每个焊口焊完后，应采用小火焰加热器对焊逢继续加热一段时间，降低焊缝的冷却速 度。另外，焊接完一道焊口后，为避免焊枪的过热，应停焊一段时间，使焊枪冷却后，再焊下一道焊缝。 （7）为减少空中焊接作业，紫铜排母线的接长焊接可以在地面上进行，采用双面焊。这时紫铜排母线的组对间隙可以减小或不留间隙。焊缝正面焊完后，进行反面焊接前，要采用砂轮机进行反面清根处理。 为了保持焊后紫铜排母线的基本尺寸，减少焊接变形，地面焊接施工时，针对紫铜排母线结构尺寸，制做了特殊卡具，如图2所示。预热及焊接前先将紫铜排母线卡紧，强制防止其产生焊接变形。母线焊完未冷却前，不得移动或受力。
19、对于局部超标的焊接变形，焊后采取水火矫形等措施进行矫正。 固定楔块 焊缝 卡具 固定楔块 焊口 铜排 固定槽钢 焊接操作引出板 图2：紫铜排母线接长连接工装卡具示意图 （8）在空中位置焊接时，采用单面焊，反面加陶瓷衬垫，衬垫形状的选择要保证焊缝加强高的尺寸要求，要留有足够的间隙。空中组对工装卡具基本形状与图2所示相似，但工装卡具的长度较短，重量较轻。空中焊接作业时，要多人配合，必须时时注意安全，防止烫伤或烧伤。 4 焊接质量标准与检验 4.1 质量标准 紫铜排母线的焊接质量执行国家标准GBJ14990电气装置安装工程母线装置施工及验收规范规定。电阻率可以采取双臂电桥测试法。 4.2 质量保证措
20、施 （1）焊接前要制定工艺试验方案，进行焊接工艺评定，并依据工艺评定进行现场试焊，然后确定现场焊接作业指导书。 （2）焊工应经培训考试合格后，方能上岗。 （3）焊机及氩气瓶上的计量器具必须在校验周期内，指示准确。氩气纯度要达到99.99%以上。 （4）严格执行工序交接检查制度，不合格部位必须处理后，方能进行下道工序施工。 4.3 质量检验 对焊件进行了外部、内部质量检查和焊缝直流电阻测定，结果如下： （1）外观检查：对接焊缝上加强高度为34mm；焊缝熔合良好，呈圆弧形过渡，表面光滑，没有毛刺和凸凹不平之处，焊接接头表面无肉眼可见的裂纹、凹陷、缺肉、未焊透等缺陷。 （2）内部检查：对部分焊缝进行
21、了X射线探伤检验。经检验，内部无裂纹、未熔合、夹渣、气孔等超标缺陷，依据JB4730-1994标准评定为级，超过了工程规定的级合格标准要求。 （3）焊道电阻测试：电阻率采用双臂电桥测试法，测定结果最大电阻率为0.016mm/m，与母材接近，符合GBJ149-1990标准的要求。 2 5 结论 （1）采用水冷式钨极氩弧方法焊接截面尺寸12012mm的紫铜母线，焊接质量稳定，操作方便，适合现场施焊环境条件。 （2）在确定焊接方法及工艺参数时，应以工艺试验及评定为基础。施焊过程中，必须保证预热温度和焊缝层间温度，采用大规范焊接工艺参数施焊。 （3）采用本文确定的焊接工艺措施，在较短的时间一次焊接完成200道焊口，达到了无损检测一次合格率达100%，取得了良好的经济效益，保证了工程的顺利投产。目前该变电所运行状况良好。