大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺

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

    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２　ｍｍ～３　ｍｍ，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

    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2 ｍｍ～４　ｍｍ，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

６  劳动力组织

　 焊工 2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0.015　ωmm２／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300　ｍｍ×16 ｍｍ，200 ｍｍ×12 ｍｍ，200 ｍｍ×28 ｍｍ不等，单根母线长达17 ｍ，并有部分导电片(250 ｍｍ× 12 ｍｍ，间距62 ｍｍ)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＞12 ｍｍ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。