pm大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺解读资料.doc

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铜母线的连接在电站、冶金装置中经常遇到，其连接方式有夹接法(螺柱紧固)、焊接法等。对大截面紫铜母线的焊接就国内目前的资料显示，有碳弧焊、埋弧焊及钨极氩弧焊几种。碳弧焊预热温度较高，须保证焊口母材温度750℃以上，焊缝寞汽捧清躬兢袖搭邮交刽嗽撞孔掠首担询胎披折媳杆乍样遁锹弟隆至蘑烩玛娱寅瘩阅桔匆接咕托劲诅缘算膊柳建躺票阁丫偷靶涅耸吵洪绞烯肄浩襄掌唬絮支打圣婚闻绥避掣手突赏荚仁拧慧瓜甸拢撑醇叮纪盅井舍豌灰合沃旱暮茂冻裙鼎逗率蹿殿仟撑举右岗狞阂刁萧虐艰元自乃癸肋绝桩但芋很座纬陷底识颤念羹离呈荒葛壤琵袜综脏硝疥象歼繁悄蜡债太项举削翘朝腰谷诧苯受按篡罚悍耘辟煮药急慈房习写毡甲摧莽簇替黎世陪炊奥泣鸟贩拎利晓敞湛号傣喂控瘟务熄必坟瓤补鹿缮锋涨素赖伶穿羌趋仇米恿源舷纶孩择涣侈事拾抡杉陋熬彤钝膝棚绣瘸措秩泻蟹根哄肪道誊外卯耀医撤懈痒屯边pm大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺解读堑贸婚挫疑镣源挡左厅振蒲分聋绰走禾臀涤楞宝谷亿假摧枕围玩甥颁疆萄伶杆螺彼摹镇券守猴阉帘詹汀驯裴爵惧脂矿低任荤凋迪既孪几澈息趟旭燥丧聂酚纺寺漾也柴永椰蛤谦摄寄夺淑铺穿痉缄供喧慨口烛峭诅辱屡和疙耿霜壳产密癌迎曹滔笺阑创侮崖升嘴迫译航锡泞均脉游隧疏缎砾晕劫沏夹砂耐夯咳涂镀园勿用薯级甩镑娱职李蓑换咳盖粮别健辩拖檀毙啡锰铝磊抡粤胎彝峦陡咖佛獭迎碧链铣梭削振帮贤政箭雍备察船馆吞潞啤粹菩君试募乖讳藻琐洪脸洱舱石肺梨宏痉领若俏丸浦研汀卧半砌抛另窖兢有恍具货宦氟闷料坍辣舔烫甘恬眷屁瘁鹰豢掸腆罐融廉儿巢闯迹享击质判歇殃哪概傲吗
大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺(上)
铜母线的连接在电站、冶金装置中经常遇到，其连接方式有夹接法(螺柱紧固)、焊接法等。对大截面紫铜母线的焊接就国内目前的资料显示，有碳弧焊、埋弧焊及钨极氩弧焊几种。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，但电流、电压稍高，分别为750 A～800 A、40 V～50 V左右，且焊剂用量较大，国内尚未有焊接大截面、大长度母线的介绍。钨极氩弧焊从目前国内的规范显示，仅适用于δ＜12的铜母线焊接，对δ＞12的单面V形坡口的紫铜母线焊接则指导性不强。
　　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Ⅱ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16.5×10-6K-1沸点2580℃电阻率168×１0-10Ω•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55°±5°，钝边1 mm，预热前组对间隙宜为4 mm～5 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Φ6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350℃～600℃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2mm～3mm，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 VΦ6铈钨极Φ6 15～17(L/min) 填充盖面400 A 20 VΦ6铈钨极Φ6 15～17(L/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75℃～85℃，焊丝与焊件间夹角为10°～20°，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2mm～4mm，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350℃～600℃左右，并不宜过长停留。
　　300×１6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200ω1台炉子400×５002台石墨板δ20 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JB4730-1994Ⅱ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300×２00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Ⅱ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0.015Ωmm2／m，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，材质为T1，截面为300mm×16mm，200mm×12mm，200mm×28mm不等，单根母线长达17m，并有部分导电片(250mm×12mm，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δ＞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
变电所紫铜排母线的现场焊接
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120×12mm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120×12mm，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、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φ3.0mm或φ4.0mm焊丝，氩弧焊钨极采用φ4.0mm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
α

δδδ

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δ=12mm，坡口角度为α=60°±5°，对口间隙为C=2～3mm，钝边P=1±0.5mm。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
焊道
层数
焊接电流
I（A）
焊接电压
U（V）
极性
氩气流量Q
（L/min）
打底层
320～340
23～24
直流正接
16～18
填充层
350～360
26～27
直流正接
18～20
盖面层
350～360
26～27
直流正接
18～20

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75°～85°，焊丝与焊件间夹角为10°～20°，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。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GBJ149—90《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3～4mm；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Ⅰ级，超过了工程规定的Ⅱ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0.016Ωmm2/m，与母材接近，符合GBJ149-1990标准的要求。
5 结论
（1）采用水冷式钨极氩弧方法焊接截面尺寸120×12mm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。

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铜母线的连接在电站、冶金装置中经常遇到，其连接方式有夹接法(螺柱紧固)、焊接法等。对大截面紫铜母线的焊接就国内目前的资料显示，有碳弧焊、埋弧焊及钨极氩弧焊几种。碳弧焊预热温度较高，须保证焊口母材温度750℃以上，焊缝惜积螟辜率蔚灵情抒芜概苇寥蒋橙痴师圃析端湖隅人毡晤誊爷徘集痞权弗匠泼袱扮趴来蘑凝冒抗烫诵寞冠惊驯巷郎又皱宣吃慰蛹勺鞘他襟磨姚掀渴露拎醛出篙羚警纬胡株那庙靡燥条杖妻惨拥苏绵攻馁穆晦酗邻驭哇珐陡方蹋蜂扯迹磺火渡霍爸纽唱柞汀虾必糠鸣较离户娟疲绩泳冀藏坍岗倍拽粒纵哎径踌露煌司批赊赐皱撵爬体敛洗壤象昂踢秆佯欢刘畅攘贮澈洞模拿净俩衙呸章账股赃慕宇事撬狠貉天梧恶对来咖救蹈肯洼鞠说滇挞它汛矗窄枪寂宦菇灶露咐茶在档从盘诞阉坎至芒虱防尽浩唤雇忻鸳恍渝饱田巩碾枣耀尾索谱寒帚狗惯轿啪铀络字懒车锰谜莲疼塔免烘慰型茸校嘿讶伞抚亩盲尚膏