紫铜氩弧焊接技术.doc

手工碳弧焊接大型紫铜工件技术 时间：2005-12-20 22:27:01 九七年舞阳钢铁公司进口设备上的结晶器损坏了，结晶器是冶炼钢炉上的必需零件。该工件长800mm.宽400mm，高200mm，呈长方形，重达600Kg左右，质量要求铸造以后，还得经过锻造成型 。经其较低致密的金属组织来保证在单位面积上通过高密度.大电流的技术要求。该结晶器应用的环境条件都都比较恶劣，运行时高温状态下，需用循环水进行冷却。为了节省外汇，使结晶器配件国产化，该公司决定自已制造生产。在克服了需在该工件的体积内顺长方向加5条直径30毫米的水道，横向加工两条同径的水道的困难以后，又遇到了7条水道的确良14个端部密封焊接的难题。因为该工件是纯紫铜的材质，其导热系数高出黑色金属的8至10倍，抟热速度太快，工件的体积太大，焊接时温度场非常不容易建立，使密封水道端头的焊接非常屈难，经过多次采用不同焊接工艺的试验，焊后对结晶器做水压试验，均有不同程度的泄漏，后经采用碳棒焊接成功地焊接了3台结晶器。具体的工艺措施如下：将工件水道端部加工坡口，把圆孔的周边用铣订加工成单边V型坡口，角度60左右，坡口深8至10毫米。14个圆堵头的材质要求与工件相同，厚度30毫米，坡口若悬河形状尺寸与工件相同，要求圆堵的机加工精度与水道是紧密配合。工件的预热温度700焊接电源采用直流正板性，以提高工件的温度。先用直径6毫米的碳棒，焊接电流250A。焊钳采用自制的水冷式焊钳。焊接材料选用，焊丝直径3毫米。因为该工件的体积较大，散热速度快，在施焊过程中，要注意保温。我们虽然采取了保温箱的措施，但仍控制不了热量的不断散失。所以，在焊接时我们采用两把大号焊炬同时对工件加热，以弥补散失的热量。同盟时在操作过程中还要注意热辐射的灼伤和工件翻身，起吊时的安全问题。施焊时，第一层打底层，不加焊丝，直接将母材和堵头熔化。第二层施焊再加焊丝。紫铜高温下氧化速度非常快。要求施焊的动作速度要快，层间的间隔时间越短越好，层间要用钢丝刷或钢丝砂轮清除焊缝的氧化皮。焊接时紫铜极易产生气孔，操作时应注意观察熔池流动的情况和形状，熔池应一真都在弧焰的保护下，避免外来空气的侵入。若不慎产生气孔，应产即回焊，回焊的速度，应是在熔池淌未凝固之前完成。焊后产即用手锤轻击焊缝，使其组织致密，随后保温缓冷。结晶器的焊接成功，不仅给国家节约了大量的外汇，结束了进口设备的零配件结晶器必须依靠进口的历史，还为舞钢公司引进洋设备、吸收、消化、改进国产化的道路，提供了有力的技术保障。摘 要：采用水冷式钨极氩弧焊工艺，成功地实现了大截面紫铜母线的焊接。施工及装置运行表明，该工艺克服了传统旧的“碳弧焊”工艺易使焊工中毒、焊缝易渗碳、塑性差、电阻大的缺点，具有焊接质量稳定、操作简便、安全和施工成本较低等优点。 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u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 A800 A、40 V50 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12的铜母线焊接，对12的单面V形坡口的紫铜母线焊接则指导性不强。 在商洛炼锌厂两套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，我们借鉴国内、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/(mk) 熔点 1083 线胀系数 16.510 沸点 2580 电阻率 168m 密度 8.96kg/cm 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5，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，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 V 6铈钨极 6 1517(L/min) 填充盖面 400 A 20 V 6铈钨极 6 1517(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2 ，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。 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 ）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 200 1台 炉子 2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 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 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，进行机械性能关键词：焊接；气焊；焊丝；紫铜；黄铜铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定的强度等特性。在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航空航天工业中得到广泛应用。在纯铜（紫铜）中添加10余种合金元素，形成固溶体的各类铜合金，如加锌为黄铜；加镍为白铜；加硅为硅青铜；加铝为铝青铜等等。铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等工艺方法实现连接，在工业发达的今天、熔焊已占据主导地位。用焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊等工艺方法容易实现铜及铜合金的焊接。影响铜及铜合金焊接性的工艺难点主要有四项元素：一是高导热率的影响。铜的热导热率比碳钢大711倍，当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。二是焊接接头的热裂倾向大。焊接时，熔池内铜与其中的杂质形成低熔点共晶物，使铜及铜合金具有明显的热脆性，产生热裂纹。三是产生气孔的缺陷比碳钢严重得多，与要是氢气孔。四是焊接接头性能的变化。晶粒粗化，塑性下降，耐蚀性下降等。1、紫铜的焊接焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氩弧焊等方法，大型结构也可采用自动焊。 （1）紫铜的气焊 焊接紫铜最常用的是对接接头，搭接接头和丁字接头尽量少采用。气焊可采用两种焊丝，一种是含有脱氧元素的焊丝，如丝201、202；另一种是一般的紫铜丝和母材的切条，采用气剂301作助熔剂。气焊紫铜时应采用中性焰。 （2）紫铜的手工电弧焊 在手工电弧焊时采用紫铜焊条铜107，焊芯为紫铜（T2、T3）。焊前应清理焊接处边缘。焊件厚度大于4mm时，焊前必须预热，预热温度一般在400500左右。用铜107焊条焊接，电源应采用直流反接。 焊接时应当用短弧，焊条不宜作横向摆动。焊条作往复的直线运动，可以改善焊缝的成形。长焊缝应采用逐步退焊法。焊接速度应尽量快些。多层焊时，必须彻底清除层间的熔渣。焊接应在通风良好的场所进行，以防止铜中毒现象。焊后应用平头锤敲击焊缝，消除应力和改善焊缝质量。（3）紫铜的手工氩弧焊在紫铜手工氩弧焊时，采用的焊丝有丝201(特制紫铜焊丝)和丝202，也采用紫铜丝，如T2。焊前应对工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物都必须清理干净，避免产生气孔、夹渣等缺陷。清理的方法有机械清理法和化学清理法。对接接头板厚小于3mm时，不开坡口；板厚为310mm时，开V型坡口，坡口角度为6070；板厚大于10mm时，开X型坡口，坡口角度为6070；为避免未焊透，一般不留钝边。根据板厚和坡口尺寸，对接接头的装配间隙在0.51.5mm范围内选取。 紫铜手工氩弧焊，通常是采用直流正接，即钨极接负极。为了消除气孔，保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，必须提高焊接速度，减少氩气消耗量，并预热焊件。板厚小于3mm时，预热温度为150300；板厚大于3mm时，预热温度为350500。预热温度不宜过高，否则使焊接接头的机械性能降低。 还有紫铜的碳弧焊，碳弧焊使用的电极有碳精电极和石墨电极。紫铜碳弧焊所用的焊丝和气焊时一样，也可用母材剪条，可用气焊紫铜的助熔剂，如气剂301等。 2、黄铜的焊接 黄铜焊接的方法有：气焊、碳弧焊、手工电弧焊和氩弧焊。（1）黄铜的气焊由于气焊火焰的温度低，焊接时黄铜中锌的蒸发比采用电焊时少，所以在黄铜焊接中，气焊是最常用的方法。黄铜气焊采用的焊丝有：丝221、丝222和丝224等，这些焊丝中含有硅、锡、铁等元素，能够防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的性能和防止气孔产生。气焊黄铜常用的熔剂有固体粉末和气体熔剂两类，气体熔剂由硼酸甲脂及甲醇组成；熔剂如气剂301。（2）黄铜的手工电弧焊焊接黄铜除了用铜227及铜237外，也可以采用自制的焊条。黄铜电弧焊时，应采用直流电源正接法，焊条接负极。焊前焊件表面应作仔细清理。坡口角度一般不应小于6070，为改善焊缝成形，焊件要预热150250。操作时应当用短弧焊接，不作横向和前后摆动，只作直线移动，焊速要高。与海水、氨气等腐蚀介质接触的黄铜焊件，焊后必须退火，以消除焊接应力。 （3）黄铜的手工氩弧焊黄铜手工氩弧焊可以采用标准黄铜焊丝：丝221、丝222和丝224，也可以采用与母材相同成分的材料作填充材料。 焊接可以用直流正接，也可以用交流。用交流焊接时，锌的蒸发比直流正接时轻。通常焊前不用预热，只有板厚相差比较大时才预热。焊接速度应尽可能快。焊件在焊后应加热300400进行退火处理，消除焊接应力，以防止焊件在使用过程中裂缝。 （4）黄铜碳弧焊 黄铜碳弧焊时，根据母材的成分选用丝221、丝222、丝224等焊丝，也可用自制的黄铜焊丝施焊。焊接可以采用气剂301等作熔剂。焊接应短弧操作，以减少锌的蒸发和烧损。 直流TIG焊工艺方法广泛应用于铜及铜合金的焊接，焊风成型好，内外质量优良，在氩气的保护下，熔池纯净，气孔少，热裂影响小，操作易掌握。厚度4mm时可不用焊前预热，直接用氩气预热，待熔池温度接近600时，可加填充焊丝熔化母材，实现焊接。厚度大于4mm的铜材，纯铜应预热400600。铜合金焊接预热200300。300TSP，315TX直