劉松善，王志紅，趙進(jìn)忠，鐘品祥，陳 盟

（1.國家電網(wǎng)有限公司 技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250000；2.中國電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.青島東方鐵塔股份有限公司，山東 青島 266300）

1 工程概述

國家電網(wǎng)有限公司某變電站工程中一支架構(gòu)件材質(zhì)為Q235B鋼管，規(guī)格φ203 mm×6 mm，長度1 000 mm，設(shè)計(jì)要求在鋼管中心開設(shè)8～10 mm的溝槽，用紫銅進(jìn)行填充焊接，以實(shí)現(xiàn)預(yù)防渦流現(xiàn)象和特殊性能的目的，如圖1所示。該構(gòu)件要求焊后焊縫進(jìn)行X射線檢測并達(dá)到二級焊縫質(zhì)量要求。

2 焊接性分析

變電站構(gòu)支架接頭的焊接屬于鋼與紫銅的異種金屬焊接，二者物理性能如表1所示，差異較大，因此焊接難度較大[1-3]。

表1 金屬物理性能指標(biāo)Table 1 Physical properties of metals

2.1 熱裂傾向大

（1）紫銅的膨脹系數(shù)比鋼大50%以上，所以在由液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)以及從高溫冷卻至室溫過程中，其收縮率遠(yuǎn)大于鋼，因此紫銅與鋼焊接時(shí)會產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。

（2）在高溫特別是接近熔點(diǎn)時(shí)，紫銅的氧化性很強(qiáng)，容易生成氧化亞銅（Cu2O），焊縫金屬結(jié)晶時(shí)，Cu2O與Cu形成低熔點(diǎn)共晶分布在銅的晶界上，同時(shí)紫銅中存在不溶于銅的低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)，如Bi、Pb、Sn 等，在晶界上形成偏析。

（3）由于銅在液態(tài)時(shí)容易溶解大量氫，凝固時(shí)過飽和的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散。

綜上所述，鋼與紫銅焊接時(shí)極易產(chǎn)生熱裂紋。

2.2 易產(chǎn)生氣孔

銅在液態(tài)時(shí)能溶解大量氫，但在凝固和冷卻過程中其溶解度會大大減少，而銅的導(dǎo)熱性好，熔池冷卻速度較快，過剩的氫來不及逸出，便在焊縫和熔合區(qū)產(chǎn)生氣孔。

從上述分析可知，紫銅的焊接性不良，鋼與銅的焊接難度較大。

3 焊接工藝方案[4-5]

3.1 焊接方法選擇

根據(jù)焊接接頭特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)要求選用手工鎢極氬弧焊工藝。

3.2 焊接設(shè)備選用

焊接設(shè)備采用直流逆變氬弧焊機(jī)，ZX7-400STG，焊槍采用500A水冷焊槍。

3.3 焊接材料選用

（1）焊接材料采用紫銅氬弧焊焊絲，型號HS201，直徑φ3 mm。（2）采用鈰鎢極，型號WCe-20，直徑φ3 mm。（3）焊接墊板采用與母材同等材質(zhì)的紫銅，規(guī)格20 mm×6 mm。

3.4 焊接參數(shù)選擇

焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

4 焊前準(zhǔn)備

（1）鋼管溝槽制備。采用數(shù)控等離子切割在鋼管上加工寬8～10 mm的溝槽加工，切割時(shí)在溝槽兩端和中間預(yù)留約10 mm拉筋，即預(yù)留3段不完全割開，使溝槽形成“日”字形，以減少鋼管開槽后向外或向內(nèi)收縮形成喇叭口或錐形溝槽。

（2）襯墊組裝。在溝槽下面墊上6 mm×20 mm紫銅板，墊板要長于鋼管約40 mm，每端長出20 mm，便于焊接引弧和熄??；用氬弧焊定位焊后，割除溝槽原來未割透的10 mm母材，打磨干凈紫銅板焊接表面，如圖1所示。

圖1 構(gòu)件溝槽組裝形式Fig.1 Component groove assembly form

（3）施焊前將待焊處切割面和兩側(cè)30 mm區(qū)域內(nèi)進(jìn)行清理，清除焊縫及焊絲表面的氧化物、油污等雜物至露出金屬光澤。

（4）因?yàn)闃?gòu)件厚度薄且室內(nèi)溫度較高，因此不采取焊前預(yù)熱工藝。

5 焊接操作

（1）焊接時(shí)采取左焊法（從右向左施焊），電弧引燃后先不送絲，用電弧在端部預(yù)熱5～10 s后，方可送絲焊接。

（2）焊絲采用連續(xù)送絲的方式送絲，降低焊接過程中氧化的幾率。

（3）第一層焊接完畢后用鋼絲刷清理焊縫表面氧化物后，即可進(jìn)行第二層焊道的焊接，減少冷脆幾率。

（4）焊接過程中要確保焊絲和熔池均處于氬氣的保護(hù)中，焊接完畢或中途斷弧時(shí)，焊槍不要立即移開，應(yīng)讓保護(hù)氣體停留3～5 s后再移開焊槍，確保焊接接頭能夠得到保護(hù)。

（5）焊接完畢后采用保溫棉覆蓋，以減慢冷卻速度，減少焊接裂紋的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

按上述焊接工藝進(jìn)行焊接，完畢后經(jīng)檢測完全合格，符合設(shè)計(jì)要求，這說明制定的焊接方案和工藝是正確可行的。要解決變電站構(gòu)支架焊接時(shí)出現(xiàn)的裂紋和氣孔等問題，主要從以下方面著手：

（1）合適的焊接熱輸入量，過大或過小都易產(chǎn)生裂紋。

（2）加強(qiáng)焊縫及兩側(cè)及焊絲的清理，要露出金屬光澤，防止氫進(jìn)入熔池，以控制裂紋和氣孔的產(chǎn)生。

（3）加強(qiáng)氬氣的保護(hù)效果，防止空氣侵入；氬氣的流量不能過小或過大；氬氣純度應(yīng)大于99.99%。

（4）焊縫焊完后應(yīng)緩冷。