CN105364269B - 一种铜板及其合金的熔化焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜板及其合金的熔化焊接方法，包括焊前准备、焊前预热、焊接、焊道的保护及焊后冷却、焊缝成形及内部质量检查等步骤。本发明可以焊接厚度在20mm以上铜或铜合金材料的工件；实现既加热熔化母材又能保证熔池液态金属平稳状态的目的。

Description

一种铜板及其合金的熔化焊接方法

技术领域

本发明属于有色金属铜及其合金的焊接领域，具体涉及一种实现厚铜板及其合金在惰性气保护下的电弧焊方法，利用该方法可以焊接厚度在20mm以上铜或铜合金材料的工件。

背景技术

铜是人类使用最早的金属，早在史前时代，人类就开采、冶炼和使用铜器件，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。

纯铜是紫红色光泽的金属，铜的熔点1083℃，沸点2567℃，其固体密度为8.92克/立方厘米，液态密度为 8.091g/cm³，是铝液体密度的三倍以上。铜的表面张力大约为1.3×10^-2N/cm，是铝的四分之一，因此，铜液的流动性要比铝液大很多。纯铜具有很好地导热和导电性能，其电阻率为1.68×10^-8Ω/m，热导率为391 W/m·K，大约是铝的1.5倍。铜的比热为384 J/(kg·K），是铝的0.4倍，铁的0.8倍。

铜的晶体结构为面心立方结构，因此具有很好的延展性和加工性能，在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天、航空、兵器以及冶金等工业中得到了广泛的应用。大厚铜板因其很好地导热和导电性，在特殊钢的电弧或电渣冶炼炉中得到大量应用，如超过40mm厚度的纯铜板常被用作电渣冶炼炉的水冷结晶器底座使用。在电渣冶炼过程中，常会因为使用不当造成了结晶器底座的烧损甚至击穿现象。为了修复烧损及击穿点，企业需要投入大量的人力和财力，而现有的大厚铜板的焊接技术成熟度不高，一般企业难以实现良好的焊接过程。这成为冶金企业重大冶金设备制造与修复的技术瓶颈。

从铜的冶金与焊接技术的发展历程看，早期关于铜的焊接技术主要采用钎焊和锻焊，而现代铜的焊接技术主要是熔焊。由于铜及其合金的化学成分、物理性能的特殊性，在实际焊接大厚度纯铜板过程中会存在以下问题：

（1）高热导率所致的问题。铜的高热导率导致焊接时母材难以熔化，填充金属和母材不能很好地熔合在一起，产生焊不透或未熔合现象。此外还会产生焊接变形大的问题。

（2）液态铜的流动性大所致的问题。铜在熔化温度时的表面张力比铁小1/3，流动性比铁大1～1.5倍，导致焊缝表面成形能力差。

（3）焊接接头的热裂倾向大的问题。液态下铜与杂质形成的低熔共晶物在枝晶间或晶界处形成热脆性，较大的线膨胀收缩以及铜冷却过程的无相变所造成的粗大晶体结构加大了热裂倾向的产生。

（4）气孔问题。铜焊接产生的气孔主要是氢气孔、二氧化碳气孔、水蒸气孔以及低熔点合金蒸汽产生的气孔等。这些气孔的产生是由于上述气体在液固态下存在巨大的的溶解度差，此外与铜的快速结晶速度有关。

目前铜的熔化焊接方法：

熔化焊是铜及其合金焊接中应用最广泛且最容易实现的一类方法，除了传统的气焊、碳弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊外，还可以采用气体保护焊如TIG、MIG、PAW，以及高能束焊如电子束焊等。此外近十年又出现了固态焊接方法搅拌摩擦焊接。文献《焊接手册》第二卷给出了铜的熔化焊接时，可采用的各种焊接方法所能实现的最大焊接厚度。而在具体实施焊接时，这些方法基本上都是采用某一单一焊接方法。在气体保护焊时，为实现厚铜板的良好熔合，许多研究者采用了电弧温度较高的氩氦或氩氮混合气体保护以及强焊接规范参数，如北京石油化工学院李明利、刘占民等在《电焊机》杂志所刊文章《氩-氦和氩-氮TIG常温焊接厚壁紫铜的试验分析》和《焊接学报》所刊文章《大电流钨极氩—氦混合气体电弧行为分析》以及《焊接》上刊文《钨极氩-氮电弧行为及厚板紫铜冷焊的分析》等都阐述了相关技术。但是，从所报道情况看，所焊焊缝的外观成形不美观，不尽如意。这些现象在《焊接手册》中有所阐述。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种铜板及其合金的熔化焊接工艺方法，该工艺方法既解决了焊接过程中的母材加热熔化又要保证熔池液态金属平稳成形的问题。

本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，焊前准备：在焊接接头所处位置的工作台面上安装预热控温系统，在焊接工件上面安置焊接操作机，根据焊接操作机的运行范围，预留焊件板材上表面坡口两边的区域；

步骤2，焊前预热：焊前准备就绪后，点燃加热器对焊件进行预热，在预热过程中随时监控焊件温度，待焊件温度达到设定的500℃时，关闭加热器阀门，停止预热；

步骤3，焊接：在焊件达到预定温度后，启动焊枪的电弧，待电弧加热形成熔池后，开始向焊接熔池送进焊丝并启动操作机的行走机构；

步骤4，焊道的保护及焊后冷却：在焊接完最后一道后，在焊道上铺洒埋弧焊剂对焊道进行隔离空气保护，同时，打开控温系统的循环水冷却加速对焊件的冷却；

步骤5，检查焊缝成形及内部质量。

所述的步骤1中，预热控温系统包括燃气燃烧加热系统和循环水冷却系统。

所述的燃气燃烧加热系统为在焊接坡口的背面安装的燃烧加热器，利用石油燃气与空气的混合燃烧对工件进行加热。

所述的循环水冷却系统是在焊件的底部安装平板热交换器，平板热交换器内通循环水。

所述的步骤1还包括下述步骤：

（1）根据焊件大小，在焊接场地安置焊件支撑腿，每块母材下至少设置6个，在其中某一个支撑腿上焊接底线的接线柱；

（2）将焊件底部下方，除预热控温系统之外的工作平台的所有区域铺设保温材料；

（3）组对焊件：通过起吊设备将准备好的待焊件安放到支撑腿上，并根据工艺要求预留对口间隙；

（4）接好预热控温系统的预热燃气和冷却水系统，接好焊接连接地线；

（5）调整焊接机头位置和电弧的高度及相应的距离；

（6）调整焊机的焊接规范参数以及操作机的规范参数。

所述的步骤3中，焊枪纵排设置三个，包括电弧枪I、电弧枪II和电弧枪III，电弧枪I和电弧枪III上安装有送丝系统；电弧枪I对待焊接区域进行预加热，电弧枪II继续对待焊接区域进行预热，并与电弧I共同形成稳定的预热温度场，电弧枪III在预热温度场的基础上加热焊接区域产生熔池，通过向该熔池填充焊丝来增加熔敷金属进而完成焊接过程。

所述的三个电弧枪，采用三个TIG焊枪模式或者是两个TIG+MIG焊枪模式。

所述的电弧枪III采用普通直流电弧或采用直流脉冲电弧。

本发明的优点效果：

本发明可以焊接厚度在20mm以上铜或铜合金材料的工件；实现既加热熔化母材又保证熔池液态金属平稳状态的目的，解决了本领域一直渴望解决的技术难题。

附图说明

图1为本发明三个电弧枪的结构示意图。

图2为本发明焊接实施状态结构示意图。

图中：1-1、电弧枪I的送丝系统；3-1电弧枪III的送丝系统；1—电弧枪I；2—电弧枪II； 3—电弧枪III； 4—保温材料；5—焊件；6—焊件支撑腿；7—底部保温材料；8—焊缝；9—循环水冷却系统；10—燃气燃烧加热系统；11—预热火焰；12—焊枪固定夹具。

具体实施方式

实施例

本发明包括如下步骤：

1、焊前准备工作：

（1）根据焊件大小，在焊接场地安置焊件支撑腿，每块母材下至少设置6个，在某一个支撑腿上焊接底线接线柱。

（2）在焊缝所处位置的工作台面上安装预热控温系统，将加热器产生的火焰均分在母材焊件的两边。

（3）将焊件底部下方，除预热控温系统之外的工作平台的所有区域铺设保温材料，如耐火砖或石棉毡。

（4）组对焊件：通过起吊设备将准备好的待焊接铜件安放到支撑腿上，并根据工艺要求预留对口间隙。

（5）根据焊接操作机的运行范围，预留焊接板材上表面坡口两边的预留区。预留区的边缘最好采用耐火砖，其他部位则以耐火保温材料严密覆盖，包括板件的四周围。在耐火砖的上面最好铺设一层钢板，以方便操作者行走。

（6）接好预热控温系统的预热燃气和冷却水系统、可靠地接好焊接连接地线。

（7）安置焊接操作机位置，并调整焊接机头位置和三个电弧的高度及相应距离。

（8）调整三台焊机的焊接规范参数以及操作机的规范参数。

2、焊前预热：一切准备就绪后，点燃加热器对焊件进行预热，在预热过程中随时监控焊件温度，待焊件温度达到设定的500℃时，关闭加热器阀门，停止预热。

3、焊接：在焊件达到预定温度后，分别启动三个电弧枪，在电弧枪III的电弧形成熔池后，开始向焊接熔池送进焊丝并启动操作机的行走机构。在焊接过程中要根据熔池大小及时调整焊接电流大小或焊接速度，也可以将电弧枪III的电流设置为脉冲电流，相应地调整脉冲参数，实现最佳的焊缝成形。

4、焊道的保护及焊后冷却：在最后一道焊接后，为保护焊道不被空气氧化，可在焊道上铺洒一定厚度的埋弧焊剂对焊道进行保护。同时，打开控温循环冷却水阀，给平板热交换器通水以加速焊件的冷却。

5、检查焊缝成形及内部质量。

焊接实例：300mm×180mm×40mm紫铜板，采用上述工艺方法进行了表面堆焊，每道焊缝宽度10mm增加熔敷厚度3mm，表面成形良好。焊接模式：三个TIG。焊接参数，预热500℃，焊接电流，预热TIG，电流230A～250A，焊接TIG电流280A～300A。

本发明所利用的纵排三个电弧枪，可采用三个TIG焊枪模式或两个TIG+MIG焊枪模式，如图1所示为三个TIG焊枪模式。

在纵排三个TIG焊枪模式进行焊接时，需要在电弧枪I和电弧枪III上安装相应地送丝系统，可实现焊接过程中的焊丝填充。在前进焊接方向时，TIG电弧枪I和电弧枪II的电弧是预热作用，在焊接路径上形成一个温度场，使TIG电弧枪III的电弧能够快速地形成所需要的熔池。同时利用TIG电弧枪III上的送丝机构根据需要送进必要的填充金属。在这一过程中，TIG电弧枪1的送丝系统不工作。在反前进方向时，则TIG电弧枪III和电弧枪II的电弧是预热作用，TIG电弧枪I则为焊接电弧，TIG电弧枪I的送丝系统工作，向TIG电弧枪I形成的熔池填充金属，电弧枪III的送丝系统则不工作。

如果采用两个TIG+MIG模式焊接时，TIG电弧枪I和电弧枪II始终处于预热状态，填充金属的完成则是由MIG焊枪完成，因此，焊接的方向始终是前进方向。对于大厚铜板，为保证焊接质量，不论采用哪种模式，都需要采用多层焊或多层多道焊。在每一次焊接时，都需要将焊接系统移动到焊件的起始端。

由于铜具有非常好的导热性，在焊接较厚铜板时一般都需要预热，且预热温度需要达到500℃以上。对于大厚铜板的焊接预热，仅依靠两个辅助电弧预热也是难以达到的，特别是大规格尺寸的焊件。因此，在大厚度铜板焊接之前，需要将工件整体加热到500℃以上并进行良好的保温。在焊后冷却过程中，为了细化结晶后的晶粒度，需要加速工件的冷却，因此需要有加速冷却系统。为解决厚铜板的焊前预热和焊后冷却，本发明提出了厚铜板的预热控温系统。该系统的加热采用燃气燃烧加热，冷却则采用给热交换器通循环水冷却。其结构如图2所示。

为减少厚铜板在预热和焊接过程中的散热，降低焊接能耗，需要对厚铜板进行隔热处理。本发明提出在大厚铜板焊接时可以通过使用柔性绝热材料对非焊接区域进行包裹以减少工件的散热。

电弧分散加热焊接原理：

厚铜板的良好导热性使焊接过程需要足够功率的电弧热进行加热。传统的焊接工艺采用大功率（大电流）或氩氦、氩氮等混合性气体以提高电弧温度来强化对母材的加热效果，保证熔池的快速产生。由于铜的导热性好，要使其熔化需要加热功率足够大，也就是焊接电流特别大。当电弧功率达到足够大时，熔池一旦形成就极易扩大化，况且液态铜的流动性极好，在巨大电弧吹力或熔滴射流动压力作用下犹如在一个平静的湖波面上产生飓风一样，引起熔池表面的强烈波动。而铜的极佳散热条件又形成了快速的凝固结晶过程，如果在熔池表面尚未平静下来之前熔池就凝固结晶，就会形成粗糙的表面。因此，要保证良好的焊缝成形，其前提是电弧加热功率既要达到一定要求，而加热熔化的熔池液体金属又不能有巨大波动。众所周知，采用大电流甚至超大电流电弧可以为焊接区域提供所需要的加热能率，但是，这会引起强烈的电弧等离子流力，该力冲击熔池后可以形成足够的熔深，但是也引起熔池的巨大波动。因此，采用大电流虽然保证了母材的加热熔化，但是引起熔池波动进而影响焊缝成形。而要实现既加热熔化母材又要保证熔池液态金属平稳状态的唯一办法是采用多电极分散加热。

根据前述思路，本发明设计了纵排三个电弧枪加热方式，电弧枪I可对待焊接区域进行预加热，电弧枪II继续对待焊接区域进行预热，并与电弧枪I共同形成稳定的预热温度场。在适当的规范条件下，电弧枪I和电弧枪II的加热可能形成一定尺寸的熔池，但是由于这两个电弧枪采用TIG焊，且电流密度适中，因此所产生的熔池状态平稳。电弧枪III在预热温度场的基础上继续加热焊道，将会产生一定大小的熔池，通过向该熔池填充焊丝来增加熔敷金属进而完成焊接过程。电弧枪III既可以采用普通直流电弧也可以采用直流脉冲电弧，以控制调节对熔池的热输入，进而控制熔池大小。电弧枪III的选择可以是熔化极（MIG）也可以采用非熔化极（TIG）。

厚铜板的预热冷却控温原理：

一般情况下，铜的焊接都需要预热，预热温度要达到400～500℃。对于大厚度、大尺寸规格的铜件焊接，完全依靠电弧加热是需要很长时间，且浪费宝贵的保护气体，造成生产成本提高。由于铜的比热较小，相对而言，铜的预热速度很快。为减少电弧预热时间和降低预热成本，厚铜板的焊前预热可采用石油燃气燃烧预热。由于铜在加热和冷却过程中不发生二次组织转变，容易形成粗大奥氏体组织。为防止产生粗大组织，在焊后需要对铜件进行加速冷却过程。因此，本发明在大厚度铜焊件的底部设有通循环水的平板热交换系统。由燃气燃烧预热和循环水热交换系统共同组成了大厚度铜板焊接的预热冷却控温系统。

该系统的预热采用石油燃气（如丙烷）进行燃烧加热，在焊接坡口的背面安装设置燃烧加热器，利用石油燃气与空气的燃烧加热铜焊件。加速冷却系统是利用在铜件底部安置的平板热交换器，将热量传递给热交换器中的循环水，由循环水将相应热量带走。

Claims (6)

1.一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，焊前准备：在焊接接头所处位置的工作台面上安装预热控温系统，在焊接工件上面安置焊接操作机，根据焊接操作机的运行范围，预留焊件板材上表面坡口两边的区域；

步骤2，焊前预热：焊前准备就绪后，点燃加热器对焊件进行预热，在预热过程中随时监控焊件温度，待焊件温度达到设定的500℃时，关闭加热器阀门，停止预热；

步骤3，焊接：在焊件达到预定温度后，启动焊枪的电弧，待电弧加热形成熔池后，开始向焊接熔池送进焊丝并启动操作机的行走机构；

步骤4，焊道的保护及焊后冷却：在焊接完最后一道后，应在焊道上铺洒埋弧焊剂对焊道进行隔离空气保护，同时，打开控温系统的循环水冷却加速对焊件的冷却；

步骤5，检查焊缝成形及内部质量；

所述的步骤3中，焊枪纵排设置三个，包括电弧枪I、电弧枪II和电弧枪III，电弧枪I和电弧枪III上安装有送丝系统；电弧枪I对待焊接区域进行预加热，电弧枪II继续对待焊接区域进行预热，并与电弧I共同形成稳定的预热温度场，电弧枪III在预热温度场的基础上加热焊接区域产生熔池，通过向该熔池填充焊丝来增加熔敷金属进而完成焊接过程；所述的三个电弧枪，采用三个TIG焊枪模式或两个TIG+MIG焊枪模式。

2.根据权利要求1所述的一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于所述的步骤1中，预热控温系统包括燃气燃烧加热系统和循环水冷却系统。

3.根据权利要求2所述的一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于所述的燃气燃烧加热系统为在焊接坡口的背面安装燃烧加热器，利用石油燃气与空气的混合燃烧对工件进行加热。

4.根据权利要求2所述的一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于所述的循环水冷却系统是在焊件的底部安装平板热交换器，平板热交换器内设置循环水。

5.根据权利要求1所述的一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于所述的步骤1还包括下述步骤：

（1）根据焊件大小，在焊接场地安置焊件支撑腿，每块母材下至少设置6个，在某一个支撑腿上焊接底线接线柱；

（2）将焊件底部下方，除预热控温系统之外的工作平台的所有区域铺设保温材料；

（3）组对焊件：通过起吊设备将准备好的待焊件安放到支撑腿上，并根据工艺要求预留对口间隙；

（4）接好预热控温系统的预热燃气和冷却水系统，接好焊接连接地线；

（5）调整焊接机头位置和电弧的高度及相应距离；

（6）调整焊机的焊接规范参数以及操作机的规范参数。

6.根据权利要求1所述的一种铜板及其合金的熔化焊接方法，其特征在于所述的电弧枪III采用普通直流电弧或采用直流脉冲电弧。