CN102126072B - 水平敷设大截面铝母线焊接施工方法 - Google Patents

Abstract

为了解决大截面铝母线焊接时易出现的焊接变形和热裂纹，提高焊接效率，本发明提供一种水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，该方法是将需要焊接的铝母线组对固定后放置于一个带有加热器的焊接熔池结晶槽内，采用半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊接的同时将铝条做为焊接材料直接插入熔池焊接，焊接开始前，对母线焊接部位两端进行预热，预热温度为150—250℃，焊接过程中如终保持铝母线焊接部位温度在150—250℃范围内。与现有技术相比，填充焊接材料可降低熔池温度并提高焊接速度，结晶槽在焊接过程中对焊接部位进行加热，减少了焊缝的气孔生成，有利于减少焊接变形和热裂纹。

Description

水平敷设大截面铝母线焊接施工方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，具体为水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，主要应用在铝或金属镁生产企业大截面铝母线水平焊接及相关的大截面铝母线水平焊接施工过程中。

背景技术

纯铝的熔点较低，只有熔点660.37°C，沸点2467°C，密度2.702克/厘米、铝为面心立方结构，有较好的导电性和导热性；纯铝较软。加热熔化时没有明显的颜色变化，焊接时极易造成塌陷和下漏，铝焊接后，其焊缝熔合区和热影响区会出现软化， 因此,铝的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。铝热导率大(约为钢的4倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4倍，所以需要采用电流密度大，热量集中，的焊接工艺。

铝的焊接极易产生气孔，主要是氢致气孔。焊接时液态铝可溶解大量的氢气，因此氢在焊接熔池快速冷却、凝固结晶时，来不及逸出就会在焊缝中形成气孔。焊缝易出现结晶裂纹，即热裂纹。铝在高温下强度低、塑性差，但膨胀系数和结晶收缩率却比钢材大一倍。焊接过程中会产生较大的热应力和变形，在脆性温度区易产生结晶热裂纹。一般随着其化学成分中Mg、Cu、Si含量的增加，其热裂纹倾向也增大。

高效化是当前焊接技术的发展方向。要实现高效化焊接，措施之一就是提高焊接速度，由于提高焊接速度易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷，因而通常熔化极气体保护焊的焊速只为0.4-0.5m/min；措施之二是提高焊丝熔敷率，在一般MIG焊时,往往在提高焊丝熔敷率的同时也意味着热输入的增加，从而引起焊接变形和热裂纹等问题。

发明内容

为了解决大截面铝母线焊接时易出现的焊接变形和热裂纹，提高焊接效率，本发明提供一种水平敷设大截面铝母线焊接施工方法。

解决上述问题，本发明采用的技术方案是：将需要焊接的铝母线组对固定后放置于一个带有加热器的焊接熔池结晶槽内，采用半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊接的同时将铝条做为填充焊接材料直接插入熔池焊接，焊接开始前，对母线焊接部位两端进行预热，预热温度为150—250℃，焊接过程中如终保持铝母线焊接部位温度在150—250℃范围内。

由于铝的熔点比较低（660.37°C），利用熔池多余的热量来熔化填充焊接材料，填充焊接材料和焊丝同时在熔池结晶槽内冷却结晶成形，在普通MIG焊接条件下，焊丝氧化膜的影响更为主要，减少熔池存在时间，难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向侵入熔池。因此，一般希望增加溶池存在时间长以利气泡逸出。本发明在焊接开始前，对母线焊接部位两端处进行预热，预热温度为150—250℃，焊接过程中始终保持母线焊接部位在温度范围150℃—250℃内，以利于气体逸出，减少焊缝的气孔生成。

为了保持结晶槽内的温度，结晶槽槽体内侧固定有氧化铝纤维毡，氧化铝纤维毡内侧设有一组电加热器，电加热器的内侧设有石墨垫片层。使用结晶槽的另一个优点是在结晶槽内进行焊接和填充焊接材料，氩气在结晶槽中形成了一个保护环境，熔化的焊接材料不会氧化有利于焊接的进行。

待焊接的铝母线对接坡口采用根部为V形坡、坡口为U形坡的形状，V形坡口角度a为60°～80°，U形坡口角度b为70°～80°，降低要焊接时坡口的间隙减少焊接材料充填量和焊接工作量。

铝母线组对固定时，仅固定组对后的铝母线一侧，另一侧与千斤顶连接，其目的是用液压千斤顶施加一个指向焊口方向的压力以补偿收缩。

与现有技术相比，本发明采用的方法使填充焊接材料和焊丝同时在熔池结晶槽内冷却结晶成形，增加熔敷率，填充焊接材料可降低熔池温度并提高焊接速度，减少焊接变形和热裂纹，节约焊接材料，改善劳动条件，提高生产效率和焊接质量。采用结晶槽在焊接过程中对焊接部位进行加热，减少了焊缝的气孔生成，有利于减少焊接变形和热裂纹。

附图说明

图1为结晶槽的结构示意图。

图2为铝母线对接坡口示意图。

图中，1－铝母线，2－铝条，3－氧化铝纤维毡，4－电加热器，5－石墨垫片层，6－焊丝。

具体实施方式

本发明所述的一种水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，将需要焊接的铝母线1组对固定后放置于一个带有加热器的焊接熔池结晶槽内，采用半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊接的同时将铝条2做为填充焊接材料直接插入熔池焊接，焊接开始前，对母线焊接部位两端进行预热，预热温度为150—250℃，焊接过程中如终保持铝母线1焊接部位温度在150—250℃范围内。

由于铝的熔点比较低仅660.37°C，利用熔池多余的热量来熔化填充焊接材料填充焊口，增加熔敷率，减少焊接变形，节约焊接材料，改善劳动条件。可提高生产效率和焊接质量，得到与铸造铝母线1材质相同的技术指标。双丝MIG焊是利用熔池过热多余的热量来熔化填充焊丝6增加熔敷率并用大电流提高焊接速度的特点，恰好适用于铝这种熔化温度660.37°C的金属焊接。但是，在施工现场手工操作，在不同的焊接高度和焊接位置，双丝MIG的供丝系统的供丝距离有限，手持焊枪部分过重工人操作困难。所以本发明提出采用半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊机和焊枪，以类似双丝熔化极气体保护焊的焊接原理，增加额外直接填充与焊接母材相同的焊接材料让它直接插入熔池。而且由于采用了在结晶槽内进行焊接和填充焊接材料，氩气在结晶槽中形成了一个保护环境，熔化的焊接材料不会氧化，有利于焊接的进行。

如图1所示，结晶槽槽体内侧固定有氧化铝纤维毡3，氧化铝纤维毡3内侧设有一组电加热器4，电加热器4的内侧设有石墨垫片层5。可按以下规格和方法进行制作，按母线的宽度和厚度用δ=3mm的钢板加工一个焊接熔池结晶槽，内衬2mm厚的石墨垫片，在石墨垫片下面按钢板结晶槽的U形内壁尺寸衬一组电加热器4，电加热器4下面衬2mm厚的氧化铝纤维毡3，加热器功率为LCD型履带式加热器是耐高温优质镍铬电阻丝和高级陶瓷绝器件按特殊工艺要求编结而成，加热功率为15KW，套在需要焊接的铝母线1上。LCD型履带式加热器控制回路采用双金属温度继电器控制加热温度。双金属温度继电器通过中间继电器控制LCD型履带式加热器电源的闭合与断开，使之达到恒温控制效果。铝母线1预先用槽钢加工好的支撑及反变形固定支架固定好，后方可正式施焊。

如图2所示，待焊接的铝母线1对接坡口采用根部为V形坡、坡口为U形坡的形状，V形坡口角度a为60°～80°，U形坡口角度b为70°～80°。对平焊对接坡口采用较小的根部间隙（对口间隙）和较大的坡口角度。V形坡口角度在60°～ 80°，在一次V形坡口上部能容纳半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊接用焊枪的情况下尽量减小V形坡口的间隙减少焊接材料的充填量。U形二次重叠窄坡口采用U形坡口，U形坡口角度在70°～80°，以便MIG双脉冲氩弧焊焊接用焊枪在一次V形坡口内焊接操作中能有摆动的最小空间。并尽量减少整个母线坡口的焊接材料的充填量。一次V形坡口高度控制在铝母线1厚度（铝母线1焊接截面高度）的1/3，（例如120mm厚的铝母线V形坡口采用40mm，U形坡口采用80mm）。

铝母线1组对固定时，仅固定组对后的铝母线1一侧，另一侧与千斤顶连接。铝母线1预先用槽钢加工好的支撑及反变形固定支架固定好，一端固定另一端可以沿母线长度方向自由伸缩，在自由端用一个5t液压千斤顶施加一个指向焊口方向的压力以补偿收缩。（或施加一个指向焊口方向的压力以补偿收缩）最后方可正式施焊。

本发明的施工顺序是：

（1)            组焊前要对各种板式母线进行调直。

（2)            找支墩水平，垫绝缘板。

（3)            在支墩上放置母线。

（4)            进行母线组对焊接。

母线制作安装方法：

（1)            技术要求；在施工前必须作好准备工作，必须看懂图纸，要检查母线下料尺寸是否和图纸尺寸相符合，不明之处反映给施工技术人员和现场设计代表，从下料到组对以及焊接必须严格按照图纸要求进行施工。

（2)            要检查母线是否有裂纹、缺肉、弯曲、不平现象。如果发现应及时上报施工技术人员，和现场设计代表及供货厂商代表，能处理的进行处理，不能处理的进行更换。

（3)            对接超厚母线时，要求平焊对接坡口一般采用较小的根部间隙和较大的坡口角度。本发明是坡口采用U型坡口，坡口角度在70°～80°。

（4)            安装母线时要先把支墩按图纸要求找平，放上绝缘垫板，然后按图纸要求放上母线，母线要平稳。

（5)            母线在型钢组对胎具的焊接，要严格按设计图，要求进行焊接，焊肉要饱满，不能有漏焊、缺焊现象。

操作方法：

（1）焊接操作人员；右手持焊枪进行正常半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊操作，左手拿与焊接母材相同的焊接填充材料直接伸入熔池。由于利用熔池多余热量来熔化填充焊接母材相同的焊接材料，（填充焊焊接材料由母线生产厂家同以母线相同化学成分的材料冲切成10*10mm供应）在电源输出功率不变的情况下，大大提高了焊丝6熔敷效率。例如采用直径ф2.4mm的熔化极焊丝6和直径10*10mm填充材料，焊丝6熔化量高出单丝MIG焊3倍以上。

（2）由于增加了一个焊接熔池结晶槽和增加额外手工直接填充与焊接母材相同的焊接材料减少了母材的热输入 由于母材的热输入少，从而减少了焊接接头的变形，和热裂纹的产生。焊接坡口采用一次V形加二次U形二次重叠窄坡口。铝母线1焊接第一遍不填充额外的焊接材料，（相当于常见焊接中的打底焊）第二遍开始再加填充额外的焊接材料，以保证焊缝根部充分熔透，由于需要在焊接时填充额外的焊接材料所以焊接操作方法采用右向或向上焊法。（一般MIG焊施焊时常规采用“左焊法”）这种焊接方法气体保护效果好，适用于大厚度铝母线、深坡口焊接，其优点是在采用采用一次V形加二次U形的二次重叠窄坡口焊接，操作时喷嘴不挡视线，熔池清晰可见，焊道两侧不产生夹角，熔合好，焊缝成形均匀、平缓美观，。①焊枪(焊丝)角度。焊丝6的指向位置和角度是充分发挥电弧热量，保证厚铝母线二侧熔合良好的关键。②MIG焊熔滴过渡形式的选择。MIG焊熔滴过渡形式的选择采用射流过渡的形式，它与其他形式的熔滴过渡相比，具有焊接过渡过程更稳。 焊接过程中应保持弧长恒定，焊枪均匀地沿直线运动。焊枪喷嘴后倾15°～20°，喷嘴端部与焊件的距离保持在12～20mm，焊丝6伸出导电嘴10～15mm。焊接时焊枪移动速度应保证电弧始终保持在熔池上面，移动过快容易产生熔合不良，过慢容易发生烧穿或焊逢熔宽过大。焊缝焊完后可以不加焊丝6对焊缝重熔一遍，以达到焊缝外表波纹细腻均匀。焊枪喷嘴后倾角度在焊接到最右端时应逐渐减小后倾角度直至垂直，在紧贴焊接熔池结晶槽右壁处应由垂直改为前倾5° 以便将整个焊道焊接完成并保证焊接质量。也可以在焊接在完成本遍焊缝长度的2/3时改变焊接工人的焊接站位，从另一个位置采用右向焊接的方法焊接完成剩余的1/3焊缝。

(3)施焊  ①在保证厚铝母线一侧熔合良好的情况下，焊枪(焊丝)以直线或划小圆向前运动，并保持在坡口两边稍有停顿，以确保坡口处铝母线1充分熔化。中间焊接速度适当快些，控制熔池形状、熔化的铝液不得超越焊丝6之前，否则厚铝板一侧将会出现未熔合、焊道两侧夹角过深等缺陷。由于采用了熔池结晶槽，一遍焊接和充填的厚度控制在10~15mm之间，一遍焊接充填的厚度太大容易产生焊后塌陷。②熄弧时，当焊丝6运动到坡口边缘，焊丝6应回焊20mm左右，防止产生弧坑，同时焊枪也不可马上抬起，应使滞后氩气功能继续保护尚未完全凝固的熔池免受空气的侵入，防止产生气孔。③对于厚度在δ=50mm的接头要分4~5遍连续焊完，中途不得停顿，因焊接温度越恒定，焊接过程就越顺利，焊接质量就越能保证。δ=120mm的铝母线1共焊接16~20遍。

 焊接工艺要点： （1）MIG焊应采用双脉冲直流正接法施焊，以求产生“阴极破碎”的作用，选用的焊接电流一般希望超过临界电流值，以得到稳定的射流过渡形式，这样不但能使焊缝成形美观，且飞溅极少，而且减少污染；

（2）本发明适用水平平焊，施焊前必须对焊接设备进行检查，并确认其工作性能稳定可靠。同时，按工艺规程调整焊接规范（电流、电压、喷嘴、焊丝6、氩气流量）并应预先在试板（引弧板）上调整完好，按母线的宽度和厚度用δ=3mm的钢板加工一个焊接熔池结晶槽，铝母线1预先用槽钢加工好的支撑及反变形固定支架固定好，一端固定另一端可以沿母线长度方向自由伸缩，在自由端用一个5t液压千斤顶施加一个指向焊口方向的压力以补偿收缩。（或施加一个指向焊口方向的压力以补偿收缩）最后方可正式施焊。

（3）焊件组对点固焊时，选用的焊接材料及工艺措施，应与正式焊接要求相同，点固焊缝如发现裂纹等缺陷应及时清除重焊。点焊长度一般为30—50mm，厚度3—5mm，焊接进行中点焊处开裂或产生较大的裂口时应立即停止焊接。

（4）对宽550mm×厚180mm  和５００ｍｍ×１２０ｍｍ铝母线1采用多层焊时尽量减少焊接层数，降低焊接速度以利熔池中氢气孔的浮出。（ 对δ=１２０ｍｍ铝母线1采用多层焊时可以分3~4层焊接，每层焊接接头要分4~5遍连续焊完），每层焊接完成在下次焊接前应采用UT（超声波）450斜探头进行焊口质量探伤检查，看是否有气孔和热裂纹存在，如果有，应立即清除后方可以进行下一层焊接，以避免全部焊接完成后再发现问题，增加返修处理工作量。（探伤时应防止探头耦合剂流入焊口）

（5）焊接材料按GB/T  10858-2008  选用SAl 1070、SAl 1080A、 SAl 1200、SAl 1450；或按GB-10858-89 选用SAL-2 SAL-3（相当于丝301）也可选用铝硅焊丝HS311减少焊接后的线收缩量。

氩弧焊接选择参数表  表1

Claims (4)

1.一种水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，其特征在于：将需要焊接的铝母线（1）组对固定后放置于一个带有加热器的焊接熔池结晶槽内，采用半自动熔化极MIG双脉冲氩弧焊焊接的同时将铝条（2）做为填充焊接材料直接插入熔池焊接，焊接开始前，对母线焊接部位两端进行预热，预热温度为150—250℃，焊接过程中始终保持铝母线（1）焊接部位温度在150—250℃范围内。

2.根据权利要求1所述的水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，其特征在于：结晶槽槽体内侧固定有氧化铝纤维毡（3），氧化铝纤维毡（3）内侧设有一组电加热器（4），电加热器（4）的内侧设有石墨垫片层（5）。

3.根据权利要求1或2所述的水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，其特征在于：待焊接的铝母线（1）对接坡口采用单面复合V形坡口，V形坡口角度a为60°～80°，复合坡口角度b为70°～80°。

4.根据权利要求1或2所述的水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，其特征在于：铝母线（1）组对固定时，仅固定组对后的铝母线（1）一侧，另一侧与千斤顶连接。

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