大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺DOC.docx

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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750A～800A、40V～50V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15000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，1000℃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1mm，预热前组对间隙宜为4mm～5mm。

　　2）组对前，采用磨光机处理坡口侧50mm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500A。

　　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400mm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350A20VΦ6铈钨极Φ615～17（L/min）填充盖面400A20VΦ6铈钨极Φ615～17（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40min左右，施焊时间仅为10min。

　　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Z6302台并联焊枪500A水冷式氩弧焊把1把等离子切割机Z2001台空压机　1台鼓风机200ω1台炉子400×５002台石墨板δ2020道口/1块吊车8t1台倒链2t2个红外测温枪M130T1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15000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。