CN1011674B - 用于铝热焊接的焊剂 - Google Patents

用于铝热焊接的焊剂

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胡士信
张俊义
杨金柱
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KUNMING METALLURGICAL MACHINERY FACTORY
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/34—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material comprising compounds which yield metals when heated

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Abstract

本发明涉及铜电缆与钢体，以及铜电缆与铜电缆之间的铝热焊接焊剂。该焊剂配方为(重量%)：氧化铜粉55～67，铝粉14～23，氟化钙16～25。
本发明焊剂配方简单、成本低原料易得，操作方便，并且焊接质量好、表面光滑，接触电阻小、抗拉强度大，用于管道阴极保护电缆的焊接有显著经济效益。

Description

本发明属焊接技术领域，具体涉及铜电缆与钢以及铜电缆与铜电缆之间的铝热焊接焊剂。
十九世纪末期，随着冶炼工业和化学工业的发展，出现了利用铝热剂作为热源的铝热焊法。该技术具有设备简单，投资少，焊接作业快，不需要电源，焊接操作简便等特点，特别适用于野外施工。
近年来，虽然铝热焊接无论是在焊剂方面还是在焊接工艺方面都有了长足的进步，但其应用领域还是和开初一样，主要在铁路部门的钢轨焊接，以及基建部门的天车轨道焊接等场合。对于有色金属与黑色金属之间，以及有色金属之间的焊接，铝热焊的应用和发展还很薄弱。
随着现代技术的发展，地下管道用钢材的强度越来越高。材质强度的增高对于断裂韧性的要求也就越高，尤其是管道趋向薄壁、工作趋向高压以来更是如此。同时对热应力的要求也就越高。无疑，电焊时的热量会威胁到管道的安全，而铝热焊的应用可成功地避免这一问题。
过去长输管道的施工程序大多是先进行管道的焊接、打压、回填，在施工后期才进行管道附属阴极保护工程的施工。在线路上焊接阴极 保护测试桩时，还要重新开挖管道，去掉管道覆盖层，用发电机发电，再用电焊机焊接。当用铜芯电缆时，先在钢加强板上焊接一个铜鼻子，灌上熔化的焊锡，把铜芯电缆焊死，然后再把加强板用电焊焊到管道上。这样的工艺需要大量人力物力、大型设备，费用高昂。对于输气管道，正常输气情况下一般严禁电焊作业，因为有引起爆管的危险。
采用电缆铝热剂焊接，一般铝热还原反应只需2～5秒钟，焊接面积小（仅2cm2左右），其热影响常可忽略。焊接时只要一个小小的石墨模具加上一根高温火柴，工具十分简单，既省去了大型的发电机和电焊设备，又节约了汽油，并且一人即可操作。焊接方法安全可靠。对于管道阴极保护电缆的焊接，铝热焊可起重要作用。
第4033399号美国专利提供了一种铜和钢之间铝热焊的焊剂，由50～65的氧化铜，1.8～2.4的铝，10～13的硅钙，20～38的铜或其他铜合金组成（重量百分比）。这种焊剂需要使用特定厂家的硅钙合金和焊接作业时先对钢体进行预热才能获得满意结果，且配方较复杂，成本高，因而难以普遍用于管道阴极保护电缆的焊接。
罗马尼亚专利（专利号86454）提供了一种可用于青铜、黄铜、钢和铸铁的铝热焊剂，其组成为（重量%）：氧化亚铜和氧化铜粉45～57，氟化钙3～4.5，铜粉17～36，以及非必须的五氧化二钒3～4，铁合金（例如钛铁、钒铁）5～11，其余为铝粉。或者铝热剂由65%的氧化铜粉，30%的氧化亚铜粉和5%的铜粉 混合物95克，铝粉23克，五氧化二钒8克，氟化钙8克和铜粉5克组成。这种焊剂用于管道阴极保护电缆的焊接，其质量尚可，但还有进一步提高的可能。
本发明的目的是为铜电缆与钢之间、以及铜电缆与铜电缆之间的焊接，提供一种能获得良好效果的铝热焊剂，不但焊接质量能满足管道阴极保护的要求，且配方简单，成本尽可能低，材料易得，操作方便，不需预热。
本发明是这样实现的：根据管道阴极保护电缆的特定焊接要求，以铝热反应原理及其冶金过程为基础，同时考虑到焊接金属的化学成分，机械性能和电性能，采用优选法和正交试验进行反复筛选，对焊接质量进行评价，以确定焊剂配方。
本发明的焊剂配方为（重量百分比）：氧化铜粉55～67，铝粉14～23，氟化钙16～25。优取配方为（重量百分比）：氧化铜粉60～63，铝粉18～21，氟化钙18～22。
其中铝粉主要起还原氧化铜的作用：
反应放出大量的热，同时生成的铜液作为焊接金属。要求铝粉的含量不低于95%，粒度为0.15～0.30mm。
为了控制铝热焊温度和增加铜液量，一般在铝热焊剂中加入适量 的铜或铜合金，本发明由于不对钢体预热，因而焊剂中未加铜或铜合金。
铝粉和氧化铜粉反应生成的熔渣主要为三氧化二铝。由于渣的熔点较高，因此渣的流动性较差。良好的熔渣流动性是提高焊接质量的一个重要条件。为了降低熔渣熔点，增强熔渣流动性、本发明加入适量的氟化钙作为熔剂：
CaO上浮至渣中，AlF3升华逸出铜液表面。氟化钙的量不宜太少，否则达不到预期目的;亦不宜太多，以免带走过多的热量，使反应不能正常进行。
用本焊剂焊接管道阴极保护电缆的操作步骤是：
a.电缆剥皮适当长度（约3～5cm），
b.把焊接模具和电缆压在管道上，
c.往焊接模具内加入焊剂，
d.点火引燃，
e.稍冷却后取下焊接模具，去除焊渣。
本发明除用于阴极保护测试导线，阴极电缆的焊接之外，也可用于钢轨的跨接铜母线以及电力接地极的铜导线的焊接，因而在石油、铁道、电力、邮电等领域有着广泛的应用前景。
本发明与已有的铝热焊剂相比，其优点是特别适用于铜芯电缆与钢体间以及铜电缆与铜电缆间的焊接，配方简单，成本低原料易得，操作方便，并且焊接质量好，表面光滑，接触电阻小，抗拉强度大。
实例1。使用铝热法焊接时，因焊接目的和焊接对象不同，需要采用不同成份和剂量的铝热剂。同时对焊接性能的要求也不同。本发明用于日益发展的地下输油气管网阴极保护野外施工时铜电缆对钢质管道，或铜电缆对铜电缆的焊接，其质量要求主要有两点，一是焊接强度，这是保证电缆能进行正常工作的基本条件;二是焊接的接触电阻应小于一定值（规定小于0.001欧姆），这样才能保证电接触可靠性和能源的充分利用，增强阴极保护效果。此外对不同厚度的钢板，在进行铝热焊接的瞬间，对应于焊点的钢板背面所能达到的最高温度这一工艺参数，虽不是质量要求，但对用户是很有参考价值的。在本实例中，采用下述配方的焊剂（重量百分比）：氧化铜60、铝粉18、氟化钙22，进行焊接并做了测试，结果如下：
1.焊点背面钢板表面温度
钢板（A）厚度（mm）    4    6    8    10    12
背面表面温度（℃）    450    360    280    180    100
2.焊接强度（电缆截面积为10mm2）
钢板（A）厚度（mm）12    12    10    10    8    8    6    4
最大承荷    （kg）    117    134    187    79    144    86    173    175
试样断裂，都是在焊点与电缆交界处的电缆上。
3.焊点接触电阻小于4×10-4欧姆。
可见本发明的焊剂能很好地满足管道阴极保护的焊接要求。
实例2。在我国秦京管线大兴加热站附近的输油管道上进行现场焊接，所用铝热焊剂配方为（重量百分比）：氧化铜62，铝粉19，氟化钙19。焊接电缆为10mm2与16mm2两种。将管道表面打磨掉适当大小的防腐层，再用砂纸打出光泽。电缆剥去3cm塑料皮，插入焊模。装焊剂后点火焊接。点火燃烧3秒钟左右即焊完。焊了三点，全部一次成功。由于在现场不可能用拉力机测试焊接强度，就用人工揪拉导线。最后将导线在焊接受热段拉断，焊点并未被拉下来，用工具也无法敲下。其强度足以满足工程需要。焊点表面质量也好。

Claims (2)

1、一种用于铝热焊接的焊剂，其特征是焊剂成分为(重量百分比)：
氧化铜粉  55～67%
铝粉      14～23%
氟化钙    16～25%
2、如权利要求1所述的焊剂，其特征是焊剂的最佳成分为（重量百分比）：
氧化铜粉  60～63%
铝粉  18～21%
氟化钙  18～22%
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