大截面紫銅母線鎢極氬弧焊焊接工藝

摘  要：采用水冷式鎢極氬弧焊工藝，成功地實現(xiàn)了大截面紫銅母線的焊接。施工及裝置運行表明，該工藝克服了傳統(tǒng)舊的“碳弧焊”工藝易使焊工中毒、焊縫易滲碳、塑性差、電阻大的缺點，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡便、安全和施工成本較低等優(yōu)點。

     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 A～800 A、40 V～50 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δ＜12的銅母線焊接，對δ＞12的單面V形坡口的紫銅母線焊接則指導(dǎo)性不強(qiáng)。

    在商洛煉鋅廠兩套15 000噸/年電解鋅裝置中，設(shè)計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、勞動環(huán)境的基礎(chǔ)上，我們借鑒國內(nèi)、國外經(jīng)驗，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Ⅱ級合格，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/(m·k)
熔點 1083℃ 線脹系數(shù) 16.5×10－６ Ｋ－１
沸點 2580℃ 電阻率 168×１０－１０Ω·m
密度 8.96kg/cm３ 　 　

    紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)20℃時比鐵大7倍，1 000℃時大11倍多，焊接時熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以融合，因此焊接時須采用大功率熱源并采取預(yù)熱，施焊時才易形成熔池。

    T1的線脹系數(shù)比鐵大15%，為避免近縫區(qū)產(chǎn)生襲紋，保證焊接時間隙，故組對時應(yīng)保證足夠的間隙；同時其收縮率比鐵大1倍以上，為防止熔池由液相變?yōu)楣虘B(tài)時，層間溫度差較大形成襲紋，故施焊時應(yīng)保證層間溫度。

    含氧銅焊接時極易形成氣孔，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共晶，焊后應(yīng)采取水潤法快速冷切，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)制作焦碳加熱爐。

    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)熱前組對間隙宜為4 mm～5 mm。

    2)組對前，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)焊機(jī)選用2臺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Φ6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３５０℃～６００℃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，組對間隙因膨脹縮為２�。恚怼�３�。恚�，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 V Φ6鈰鎢極 Φ6 15～17(L/min)
填充蓋面 400 A 20 V Φ6鈰鎢極 Φ6 15～17(L/min)

    焊接時，采用左焊法，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75℃～85℃，焊絲與焊件間夾角為10°～20°，操作時焊槍應(yīng)均勻、平穩(wěn)地向前作直線運動，并保持恒定的電弧長度，弧長一般控制在2 ｍｍ～４�。恚�，當(dāng)填充或蓋面時，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，應(yīng)持續(xù)保證焊縫區(qū)溫度350℃～600℃左右，并不宜過長停留。

    ３００×１６紫銅板焊接，從加熱至焊接完畢，一般需40 min左右，施焊時間僅為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)氧化層。

    3)對焊縫進(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
　 空壓機(jī) 　 1臺
　 鼓風(fēng)機(jī) 200ω 1臺
　 爐子 ４００×５００ 2臺
　 石墨板 δ20 20道口/1塊
　 吊車 8t 1臺
　 倒鏈 2t 2個
　 紅外測溫槍 M130T 1個
　 防輔射勞保服 　 2套

６  勞動力組織

　 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

7.1  質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

    對接接頭表面質(zhì)量按HGJ223-1992執(zhí)行，內(nèi)在質(zhì)量執(zhí)行JB4730-1994Ⅱ級合格，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)行焊接工藝評定，并依評定現(xiàn)場試焊后，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)及氬氣瓶上的計量器具必須在校驗周期內(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

    用于工藝試驗的兩塊３００×２００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)檢驗無夾渣缺陷，僅有一處氣孔，依JB4730-1994評定Ⅱ級合格。然后，制取試，進(jìn)行機(jī)械性能試驗，試驗結(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0.015　Ωmm２／m，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焊工的強(qiáng)烈輔射，且適應(yīng)場所更大，對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，同時對母線與導(dǎo)電片(角焊縫)、母線的軟連接(對接縫)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)用實例

    陜西鋅業(yè)公司商洛煉鋅廠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300�。恚�×16 ｍｍ，200 ｍｍ×12 ｍｍ，200 ｍｍ×28 ｍｍ不等，單根母線長達(dá)17 ｍ，并有部分導(dǎo)電片(250 ｍｍ× 12 ｍｍ，間距62 ｍｍ)與母線的角連接、鑲嵌連接，設(shè)計要求均為焊接。我們采用預(yù)熱條件下的氬弧焊接，焊縫外觀成型良好，對其試件測試，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δ＞12 ｍｍ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，其原因為熄弧后溫度降低、氣體來不及析出造成。故宜接長焊條、每層連續(xù)焊完。

    3)對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)與對接時參數(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。