CN113369653A - 一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，包括下述步骤：准备粉末等离子弧堆焊机和焊接工作平台；将待修复铜板放置到工作平台上；用石英砂掩埋铜板；将纯铜粉加注到粉末等离子弧堆焊机的粉罐中；调节焊接电流；点燃下热源进行预热；清理修复区域；利用上热源对修复区域进行持续加热；待铜板达到预热温度，停止上热源预热，同时引燃等离子弧堆焊机的维弧，对修复区域进行粉末堆焊；在堆敷修焊过程中，确保堆敷金属融合良好，同时要将修复坑填满；铜板表面蚀坑全部堆敷修好后，用石英砂掩埋堆焊修复区域进行；待铜板完全冷却后，进行铜板补焊区域的表面加工。本发明具有母材熔深浅，焊缝熔合比小，堆敷效率高的特征。
Description
技术领域
本发明属于冶金行业设备的焊接修复，具体涉及一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，本发明可以焊接修复30mm以上厚度紫铜板上的电弧烧蚀坑，特别适用于修复电渣冶金结晶器底板在使用过程中导致的电弧烧蚀坑。
背景技术
人类使用铜的历史悠久，早在史前时代就有开采、冶炼和使用铜器件，因此，铜的使用对人类文明影响深远。
铜是面心立方结构晶体，具有好的延展性和加工性能。此外具有非常优良的导电和导热性，因此在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天、航空、兵器以及冶金等工业得到了广泛应用。如在冶金行业，超过30mm厚度的紫铜板被用作电渣冶金炉的结晶器底座使用。但是在电渣冶炼过程中，常存在操作不当产生紫铜板的烧蚀坑甚至烧穿。由于紫铜板价格昂贵，为降低生产成本，生产企业会采取焊接修复蚀坑。但是，由于厚铜板的良好导热性，焊接修复难度非常大。从现有文献看，铜及其合金的焊接方法很多，如气焊、焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等均可以。例如等离子弧焊接作为高能量密度的电弧焊在焊接中具有电弧温度高、能量密度大、焊接加热速度快、焊接变形小等很多优势。但是，因为设备复杂、使用成本高。此外，电弧加热区域小，手工操作控制困难，适合用于自动焊过程，在规则焊道的焊接中比较适合。粉末等离子弧焊接和热丝等离子弧焊接作为等离子弧焊接的两个新技术，具有高的熔敷效率，在一般工程机械修复制造中多利用机械手或专机实现大面积堆焊修复工作，适合规则焊道的焊接。鉴于上述原因，本领域目前针对不规则表面电弧蚀坑缺陷的修复，大多使用高温预热下的碳弧焊或焊条电弧焊。为获得良好的焊接效果，通常采用大电流焊接，结果造成焊接现场烟尘大，弧光辐射非常强，焊接环境差等问题。对于厚度超过30mm的不规则表面电弧蚀坑缺陷的修复，本领域尚未有相关报道。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，利用手工操作的等离子弧堆焊紫铜铜板蚀坑，解决了现有技术中对于厚度超过30mm的不规则表面电弧蚀坑缺陷修复困难的问题。
本发明的技术方案包括下述步骤：
步骤1，准备大容量粉末等离子弧堆焊机和焊接工作平台，焊接工作平台上设有下热源；
步骤2，将待修复铜板底座放置到工作平台上；
步骤3，将多个冷却罐竖直放置在铜板非修补部位，要求冷却罐底部与铜板接触良好；
步骤4，用石英砂将支撑平台除下热源和冷却罐之外的铜板区域全部掩埋，铜板上表面掩埋厚度20～40mm，然后将准备堆焊部位上面的石英砂清理开；
步骤5，将粒度为100～150目的粉末T2纯铜粉加注到粉末等离子弧堆焊机的粉罐中，并将送粉流量调节到预设粉量,输送粉量15～30g/min；
步骤6，调节焊接电流；
步骤7，点燃下热源进行加热，根据铜板厚度及尺寸大小调节下热源的加热速度，使铜板能够在最短时间加热接近到预热温度；
步骤8，清理修复区域；
步骤9，利用火焰枪作为上热源对修复区域进行持续加热，加热的同时利用红外测温枪对铜板基体温度进行测量；
步骤10，待铜板预热到550℃～600℃区间，停止上热源火焰预热，继续保持下热源预热，同时立即引燃等离子弧堆焊机的维弧，之后迅速对修复区域进行粉末堆焊；
步骤11，在堆敷修焊过程中，时刻观察堆焊熔池情况及堆敷焊缝高度，确保堆敷金属融合良好，同时要将修复坑填满；
步骤12，铜板表面蚀坑全部堆敷修好后，用石英砂掩埋堆焊修复区域进行；
步骤13，待铜板完全冷却后，将冷却罐移走，然后清理石英砂，之后进行铜板补焊区域的表面加工，将多余焊缝高度进行机械加工处理。
所述的步骤1中，焊接工作平台包括平台基础钢板、下热源及支撑柱，平台基础钢板的中心设置下热源加热系统，加热系统是一个半圆钢管围栏和液化石油气炉灶形成，液化石油气炉灶放置在半圆钢管围栏中间，半圆钢管围栏上端设置多个火焰燃烧扩散槽，火焰通过火焰燃烧扩散槽形成分散性加热源；半圆钢管围栏四周设置有若干个支撑柱。
所述的平台基础钢板为10～20mm厚度的平整钢板；所述的半圆钢管围栏钢管直径为300m～350mm,长度为100～150mm，半圆钢管围栏的上边缘开设若干锯齿槽，槽深8～10mm，槽宽10～15mm，数量为8～12个；所述的支撑柱直径为10～20mm，壁厚为3～5mm的钢管，数量为4～8个，支撑柱长度与半圆钢管围栏长度相匹配；支撑柱和半圆钢管围栏采用点固焊焊接在平台基础钢板上。
所述的步骤3中，冷却罐设置3～5个，所述的冷却罐由φ80～120mm、壁厚3～5mm、长度150～250mm的钢管与厚度3～5mm钢板作为钢管底面封堵焊接而成，要求焊缝密封可靠，冷却罐里放置10～20mm厚度的石英砂。
所述的步骤5中，粉末等离子弧堆焊机的等离子弧压缩嘴的电弧孔径取2.5～4mm；启动焊机后，进行保护气、离子气、送粉气流量的调节，其中保护气流量调整为12～15升/min，离子气氩气流量为1.5～2.5升/min，送粉气流量为4～5升/min；保护气为氩气和氮气的混合气体，其中氮气占保护气的体积比为10%～20%。
所述的步骤6中，焊接电流调节到160～200A，并将粉末等离子弧堆焊机的送粉时间设置为延迟5～10秒。
所述的步骤8中，当修复区域有铜锈及其他污染物时，根据铜锈及污染物的情况，利用上热源的火焰枪的中性火焰或轻微碳化焰火焰进行加热或铜锈还原处理。
所述的步骤10中，粉末堆焊可以替换为填丝材堆焊或粉丝混合堆焊，其中焊丝为φ2～3mm纯铜T2焊丝。
所述的步骤11中，当需要修复其他部位时，需要将已修复部位用石英砂掩盖住，同时清理露出待修复区域。
所述的步骤12中，当需要加速冷却时，冷却罐中注入冷却水进行铜板的加速冷却。
本发明的优点效果如下：
1、本发明利用纯铜粉进行等离子弧堆焊厚铜板电弧蚀坑，粉末等离子弧焊接时采用熔入型焊接加热模式，该模式下具有离子气流量较小的特点，再加上电弧中存在金属粉末，更进一步降低了离子束电弧对母材的熔化能力，因此具有母材熔深浅，焊缝熔合比小，堆敷效率高的特征；同时，该方法可以进行手工操作，且操作过程相对简单，具有很好的实用性。
2、本发明还可以利用φ2～3mm纯铜T2焊丝实现添丝或丝粉复合堆焊。在取消自动送粉的情况下，可以进行添丝焊接。也可以在粉末堆焊过程中，可根据堆焊厚度要求以及所形成的熔池融合情况适量进行外填纯铜丝堆焊，实现粉丝复合焊接。
3、本发明使用Ar+N2混合气体进行保护，且N2比例（体积比）取10%～20%；提高了等离子弧的温度和能量密度，可有效加快焊接母材的熔化，在保证电弧的温度及稳定性情况下降低了成本。
4、本发明提出在堆焊前，需要对铜板进行预热及保温措施。具体的措施是，铜板的预热采用上下两个热源，下热源采用液化石油气炉灶进行加热，上热源采用火焰枪进行加热。下热源是液化石油气与空气混合燃烧，火焰温度偏低属于均匀性加热。上热源火焰枪采用氧丙烷或氧乙炔火焰加热，火焰温度较高，热量较集中，可进行集中快速加热，主要针对具体的修补点进行加热。针对不同厚度铜板，可以通过调节上、下热源的不同火焰能率来调节预热时间。而对于保温措施，则是采用石英砂将堆焊铜板的焊接区域之外部位进行掩埋，掩埋厚度要达到30mm以上；由于结晶器底座铜板较厚（一般都在30mm以上），铜板散热很快，本发明通过对铜板进行足够的预热，使得母材可以很好的熔化，解决了堆敷金属铜水因存在时间太短流动性差，易产生未熔合现象或焊缝成型不平整的问题。本发明预热温度要达到550℃以上，且对焊接铜板进行很好地保温措施，解决了因焊接工作环境温度高，施焊作业条件差，且造成大量浪费能源的问题。
5、本发明提出在焊接铜板的上表面非焊接区域放置一定体积的冷却罐，使其底部与铜板表面良好接触。然后将其用石英砂堆敷掩盖一定深度并将罐口外露。另外在冷却罐中装入10～20mm厚度的石英砂，既保持罐与铜板能够很好接触，还能进行阻止热量散失。在焊接结束需要铜板冷却时，向冷却罐中注入冷却水，利用水冷却罐内石英砂及罐底，通过罐底与铜板进行热交换进而实现铜板冷却；由于铜的晶体结构是面心立方晶格，不存在同素异构，本发明通过采用焊后快速降温，解决了厚铜板焊后的晶粒组织粗化严重问题。
附图说明
图1为本发明焊接工作平台结构示意图。
图中，1-待修复铜板，2-分散加热火焰，3-石英砂，4-支撑柱，5-半圆钢管围栏，6-液化气炉灶，7-平台基础钢板，8-冷却罐，9-石英砂及水混合物。
具体实施方式
实施例
本发明的技术方案包括下述步骤：
步骤1，准备大容量粉末等离子弧堆焊机和焊接工作平台；粉末等离子弧堆焊机的输出额定电流要求达到300A以上（如目前市场上的DML-V03CD），要求焊机自带循环水冷系统，要具有良好的冷却效果。
所述焊接工作平台包括平台基础钢板、下热源及支撑柱，平台基础钢板的中心设置下热源加热系统，加热系统是一个半圆钢管围栏和液化石油气炉灶组成，液化石油气炉灶放置在半圆钢管围栏中间，半圆钢管围栏上端设置多个火焰燃烧扩散槽，火焰通过火焰燃烧扩散槽形成分散性加热源；半圆钢管围栏四周设置有若干个支撑柱。所述的平台基础钢板为10～20mm厚度的平整钢板；所述的半圆钢管围栏直径为300m～350mm,长度为100～150mm，半圆钢管围栏的上边缘开设若干锯齿槽，槽深8～10mm，槽宽10～15mm，数量为8～12个；所述的支撑柱直径为10～20mm，壁厚为3～5mm，数量为4～8个；支撑柱长度与半圆钢管围栏长度相匹配；支撑柱和半圆钢管围栏采用点固焊焊接在平台基础钢板上，防止移动。
步骤2，将待修复厚铜板底座放置到工作平台上的支撑柱及半圆钢管围栏上，要求放置确保稳定。
步骤3，将3～5个冷却罐竖直放置在铜板非修补部位，要求冷却罐底部与铜板接触良好，具有很好的热传导；所述的冷却罐由φ80～120mm、壁厚3～5mm、长度150～250mm的钢管与厚度3～5mm钢板作为钢管底面封堵焊接而成，要求焊缝密封可靠，冷却罐里放置10～20mm厚度的石英砂。
步骤4，用石英砂将支撑平台除下热源和冷却罐之外的铜板区域全部掩埋，铜板上表面掩埋厚度20～40mm，然后将准备堆焊部位上面的石英砂清理开；
步骤5，将粒度为100～150目的粉末T2纯铜粉加注到粉末等离子弧堆焊机的粉罐中，并将送粉流量调节到预设粉量,输送粉量15～30g/min；粉末等离子弧堆焊机的等离子弧压缩嘴的电弧孔径取2.5～4mm；启动焊机后进行保护气、离子气、送粉气流量的调节，其中保护气流量调整为12～15升/min，离子气氩气流量为1.5～2.5升/min，送粉气流量为4～5升/min；保护气为氩气和氮气的混合气体，其中氮气占保护气的体积比为10%～20%。
步骤6，调节焊接电流；焊接电流调节到160～200A，并将粉末等离子弧堆焊机的送粉时间设置为延迟5～10秒。
步骤7，点燃下热源进行加热，根据铜板厚度及尺寸大小调节下热源的加热速度，使铜板能够在最短时间加热接近到预热温度。
步骤8，清理修复区域；当修复区域有铜锈及其他污染物时，利用火焰枪作为上热源，先点燃上热源火焰，然后根据情况利用中性火焰或轻微碳化焰火焰进行加热清理。
步骤9，利用火焰枪作为上热源对修复区域进行持续加热，加热的同时利用红外测温枪对铜板基体温度进行测量；
步骤10，待铜板预热到550℃～600℃区间，停止上热源火焰预热，继续保持下热源预热，同时立即引燃等离子弧堆焊的维弧，并对修复区域进行粉末堆焊；粉末堆焊也可替换为填丝堆焊或粉丝混合堆焊，其中焊丝为φ2～3mm纯铜T2焊丝；如果是纯填丝焊，则无需调节送粉气，或将其关闭。
步骤11，在堆敷修焊过程中，时刻观察堆焊熔池情况及堆敷焊缝高度，确保堆敷金属融合良好，同时要将修复坑填满；当需要修复其他部位时，需要将已修复部位用石英砂掩盖住，同时清理露出待修复区域。
步骤12，铜板表面蚀坑全部堆敷修好后，用石英砂全部掩埋进行保温；当需要加速冷却时，冷却罐中注入冷却水进行铜板的加速冷却。
步骤13，待铜板完全冷却后，将冷却罐移走，然后清理石英砂，之后进行铜板补焊区域的表面加工，将多余焊缝高度进行机械加工处理。
应用实施例：
将一块长度为100*100*40mm纯铜板进行粉末等离子弧堆焊修复，铜表面修复凹坑为，表面宽度为8mm，深度为3mm长度为30mm左右。焊接修复参数为：预热温度550℃，焊接电流90A，T2纯铜粉送粉流量每分钟15g，送粉气氩气流量4L/min，离子气氩气流量1L/min，保护气氩气流量12L/min。堆后进行打磨检查发现融合较好。
Claims (10)
1.一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，准备大容量粉末等离子弧堆焊机和焊接工作平台，焊接工作平台上设有下热源；
步骤2，将待修复铜板底座放置到工作平台上；
步骤3，将多个冷却罐竖直放置在铜板非修补部位，要求冷却罐底部与铜板接触良好；
步骤4，用石英砂将支撑平台除下热源和冷却罐之外的铜板区域全部掩埋，铜板上表面掩埋厚度20～40mm，然后将准备堆焊部位上面的石英砂清理开；
步骤5，将粒度为100～150目的粉末T2纯铜粉加注到粉末等离子弧堆焊机的粉罐中，并将送粉流量调节到预设粉量,输送粉量15～30g/min；
步骤6，调节焊接电流；
步骤7，点燃下热源进行加热，根据铜板厚度及尺寸大小调节下热源的加热速度，使铜板能够在最短时间加热接近到预热温度；
步骤8，清理修复区域；
步骤9，利用火焰枪作为上热源对修复区域进行持续加热，加热的同时利用红外测温枪对铜板基体温度进行测量；
步骤10，待铜板预热到550℃～600℃区间，停止上热源火焰预热，继续保持下热源预热，同时立即引燃等离子弧堆焊机的维弧，之后迅速对修复区域进行粉末堆焊；
步骤11，在堆敷修焊过程中，时刻观察堆焊熔池情况及堆敷焊缝高度，确保堆敷金属融合良好，同时要将修复坑填满；
步骤12，铜板表面蚀坑全部堆敷修好后，用石英砂掩埋堆焊修复区域进行；
步骤13，待铜板完全冷却后，将冷却罐移走，然后清理石英砂，之后进行铜板补焊区域的表面加工，将多余焊缝高度进行机械加工处理。
2.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤1中，焊接工作平台包括平台基础钢板、下热源及支撑柱，平台基础钢板的中心设置下热源加热系统，加热系统是一个半圆钢管围栏和液化石油气炉灶形成，液化石油气炉灶放置在半圆钢管围栏中间，半圆钢管围栏上端设置多个火焰燃烧扩散槽，火焰通过火焰燃烧扩散槽形成分散性加热源；半圆钢管围栏四周设置有若干个支撑柱。
3.根据权利要求2所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的平台基础钢板为10～20mm厚度的平整钢板；所述的半圆钢管围栏钢管直径为300m～350mm,长度为100～150mm，半圆钢管围栏的上边缘开设若干锯齿槽，槽深8～10mm，槽宽10～15mm，数量为8～12个；所述的支撑柱直径为10～20mm，壁厚为3～5mm的钢管，数量为4～8个，支撑柱长度与半圆钢管围栏长度相匹配；支撑柱和半圆钢管围栏采用点固焊焊接在平台基础钢板上。
4.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤3中，冷却罐设置3～5个，所述的冷却罐由φ80～120mm、壁厚3～5mm、长度150～250mm的钢管与厚度3～5mm钢板作为钢管底面封堵焊接而成，要求焊缝密封可靠，冷却罐里放置10～20mm厚度的石英砂。
5.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤5中，粉末等离子弧堆焊机的等离子弧压缩嘴的电弧孔径取2.5～4mm；启动焊机后，进行保护气、离子气、送粉气流量的调节，其中保护气流量调整为12～15升/min，离子气氩气流量为1.5～2.5升/min，送粉气流量为4～5升/min；保护气为氩气和氮气的混合气体，其中氮气占保护气的体积比为10%～20%。
6.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤6中，焊接电流调节到160～200A，并将粉末等离子弧堆焊机的送粉时间设置为延迟5～10秒。
7.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤8中，当修复区域有铜锈及其他污染物时，根据铜锈及污染物的情况，利用上热源的火焰枪的中性火焰或轻微碳化焰火焰进行加热或铜锈还原处理。
8.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤10中，粉末堆焊可以替换为填丝材堆焊或粉丝混合堆焊，其中焊丝为φ2～3mm纯铜T2焊丝。
9.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤11中，当需要修复其他部位时，需要将已修复部位用石英砂掩盖住，同时清理露出待修复区域。
10.根据权利要求1所述的一种冶金结晶器底板电弧烧蚀坑的修复方法，其特征在于所述的步骤12中，当需要加速冷却时，冷却罐中注入冷却水进行铜板的加速冷却。
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