大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺综述

1、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 C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 C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S 12

2、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H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

3、C线胀系数 16.5 X10-6K-1 沸点 2580 C 电阻率 168X 1 0-10 Q?m 密度 8.96kg/cm3紫铜的导热系数20 C时比铁大7倍，1 000 C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，

4、 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 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?

5、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 350 C600 C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

6、数电流电压钨极焊丝氩气流量打底350 A 20 V6铈钨极06 1517(L/min)填充盖面 400 A 20 V6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 75 C85 C,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 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 C600 C左右，并不宜过长停留。300X 1 6紫铜板焊接，从加热至焊接完毕，一般需40 min

7、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200 31台炉子400X 5 002台石墨板 820 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

8、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 H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 300X 2 00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H级

9、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 0.015 Qmm2 / 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

10、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 300mmX 16mm ， 200mmX 12mm ， 200mmX 28mm 不等，单根母线长达 17m ， 并有部分导电片 （250mmX 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

11、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3 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

12、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 X 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

13、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 20C时比铁大7倍多，100

14、0 C时为钢的11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导岀去，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

15、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 X 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

16、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 C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 C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$ 3.0mm或 4.0mm

17、焊丝，氩弧焊钨极采用$ 4.0mm的肺钨极，保护气体为Ar气，要求 Ar气体纯度在99.99%以上。2.3坡口形式及尺寸坡口采用V形坡口，其形式如图 1所示。板厚5 =12mm坡口角度为a =60 5，对口间隙为C=23mm钝边P=1 0.5mmo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一乙炔火焰加热器；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

18、接电流I (A)焊接电压U (V)极性氩气流量Q(L/min )打底层32034023 24直流正接16 18填充层35036026 27直流正接18 20盖面层35036026 27直流正接18 203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 C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

19、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，焊丝应除瞬间断弧外不得做轻微横向摆动，在接头填满后，逐渐拉长电弧灭弧。每个焊缝应一次焊完, 停焊，焊接结束时要注意收弧，防止收弧处岀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

20、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