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大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺

发布时间:2019-02-18 20:21:58人气:
在青藏线铺设无缝线路,对提高行车质量、减少线路维修更具现实意义。通过在海拔高度4300 m处的一系列施焊试验,确定了适合低气压、低含氧量处的氧气、乙炔流及加热器的火焰强度等焊接参数。

  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

  陕西锌业公司商洛炼锌厂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。我们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。

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