趙輝 楊琦棟 劉克毅 董曉紅

摘 要：通過高爐粉塵燒嘴材料TU1的導(dǎo)熱性、熱裂紋、氣孔、力學(xué)性能等焊接性分析，從焊接方法、焊接材料、坡口設(shè)計(jì)、組對(duì)、焊后熱處理、焊接檢驗(yàn)等方面設(shè)計(jì)焊接工藝，并對(duì)高爐粉塵燒嘴實(shí)施修復(fù)。

關(guān)鍵詞：TU1;焊接性分析;焊接工藝設(shè)計(jì)

0? ? 引言

高爐粉塵燒嘴是噴煤系統(tǒng)的重要組成部件，其為雙通道結(jié)構(gòu)，中心是氧氣通道，煤粉經(jīng)環(huán)道入爐（圖1）。使用過程中噴嘴外套發(fā)生燒損，造成高爐粉塵燒嘴失效。考慮到修復(fù)的時(shí)效性，本次修復(fù)工作采取焊接方法進(jìn)行。燒嘴外套的材料為TU1，外形尺寸為?320×25。因燒嘴外套燒損部分無(wú)法局部修復(fù)，故將燒嘴外套截去60 mm，另外焊補(bǔ)60 mm的燒嘴外套。

1? ? 焊接性分析

1.1? ? 導(dǎo)熱性

母材TU1為無(wú)氧銅，純度達(dá)到99.97%，熔點(diǎn)為1 083 ℃。TU1導(dǎo)熱率高，常溫下TU1的導(dǎo)熱系數(shù)比碳鋼約大7倍，隨著溫度的升高導(dǎo)熱率是鋼的11倍[1]。焊接時(shí)焊接區(qū)域向非焊接區(qū)域快速散熱，TU1整體溫度上升，卻很難達(dá)到熔融溫度，導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)未熔合的成型缺欠。從解決未熔合問題入手，應(yīng)對(duì)被焊工件整體預(yù)熱，提高母材初始溫度，選取焊接線能量大的工藝參數(shù)，尤其是焊接電流值，避免未熔合的產(chǎn)生。

1.2? ? 熱裂紋

銅及銅合金焊接時(shí)，易形成α+Cu2O低熔點(diǎn)共晶（熔點(diǎn)為1 064 ℃），鉛與銅會(huì)生成熔點(diǎn)約326 ℃的低熔點(diǎn)共晶體[1]。采用大線能量的焊接工藝參數(shù)焊接時(shí)，會(huì)使焊接接頭中晶粒嚴(yán)重粗化，各種低熔點(diǎn)共晶物聚集晶界。另一方面，銅及銅合金膨脹系數(shù)大，造成焊接時(shí)熱應(yīng)力大，在熱應(yīng)力和低熔點(diǎn)共晶體作用下容易形成熱裂紋?？紤]通過降低晶粒的尺寸，避免低熔點(diǎn)共晶物的聚集，從而抑制熱裂紋的產(chǎn)生[2]。

1.3? ? 氣孔

純銅焊接時(shí)，由于氫的溶解度在液固相之間急劇變化，造成氫來不及析出，形成氫氣孔。防止氫氣孔的最佳措施就是焊前清理，將焊接區(qū)域的油污清除干凈，并對(duì)焊材進(jìn)行烘干，以減少氫的來源。銅及銅合金焊接中的CO2氣孔，是由于預(yù)熱時(shí)銅產(chǎn)生氧化，使氧進(jìn)入了焊接區(qū)域，為避免產(chǎn)生CO2氣孔，焊接冶金過程中應(yīng)進(jìn)行脫氧。

1.4? ? 力學(xué)性能

由于高爐粉塵燒嘴主要承擔(dān)自身重量的靜載荷，焊補(bǔ)完成后保持原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，故焊接修復(fù)后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2? ? 焊接工藝設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1? ? 焊接方法選取

依據(jù)修復(fù)件的情況，結(jié)合本單位實(shí)際生產(chǎn)條件，選取鎢極氬弧焊（TIG）作為修復(fù)焊接方法。根據(jù)前文分析，應(yīng)采用大線能量的焊接工藝參數(shù)，而鎢極氬弧焊焊接時(shí)采用大線能量焊接易造成鎢極燒損，所以采用水冷式焊槍焊接，焊接電流選取范圍在110～200 A[3]。

2.2? ? 預(yù)熱溫度確定

預(yù)熱溫度的確定一方面考慮防止未熔合，另一方面考慮預(yù)熱溫度過高會(huì)造成晶粒粗大，帶來力學(xué)性能的降低，最終確定550 ℃。在坡口兩側(cè)50 mm范圍采用電阻絲進(jìn)行預(yù)熱，并用石棉包裹，防止溫度降低（圖2）。

2.3? ? 焊接材料

由于預(yù)熱時(shí)局部溫度高，火焰選擇不到位易使焊接區(qū)域形成氧化物，預(yù)熱時(shí)將焊劑QJ301布撒于焊接區(qū)域，焊接時(shí)QJ301還原Cu2O形成易熔的液體熔渣形成機(jī)械保護(hù)層，可以防止焊縫金屬氧化[3]。

選取焊絲HS201，焊絲HS201中加入少量脫氧元素Mn，參與焊接冶金過程，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)焊縫的脫氧。

考慮焊縫位置的可達(dá)性以及氣體保護(hù)效果，采用噴嘴直徑為16 mm的收斂性焊槍。根據(jù)焊接電流的大小選取?3.2 mm的鈰鎢極，氬氣流量為15～20 L/min[4]。

2.4? ? 坡口設(shè)計(jì)

為保證焊接位置的可達(dá)性，采用90°的坡口角度，由于母材熱膨脹系數(shù)大，間隙為5 mm，為避免未熔合的形成，鈍邊不宜過大，選取1 mm為宜（圖3）。

2.5? ? 組對(duì)

焊件厚度大，焊接過程熱應(yīng)力大，所以定位焊數(shù)量及長(zhǎng)度均應(yīng)增加。我們選擇3個(gè)定位焊位置，分布在燒嘴鐘表位4點(diǎn)、1點(diǎn)、7點(diǎn)處，定位焊定位長(zhǎng)度為3 mm，從10點(diǎn)位置起焊[5]。

2.6? ? 焊接

各層均為轉(zhuǎn)動(dòng)焊接，打底層焊接時(shí)管內(nèi)充氬保護(hù)。焊接位置在鐘表位10點(diǎn)到11點(diǎn)半，另一焊槍在1點(diǎn)到12點(diǎn)預(yù)熱，向上轉(zhuǎn)動(dòng)焊接（焊接工藝參數(shù)如表1所示）。焊接完成后焊縫外觀質(zhì)量良好（圖4）。

2.7? ? 焊后處理

被焊接頭的焊接區(qū)域重新加熱到600～700 ℃，為了使晶粒尺寸減小，提高焊接接頭的機(jī)械性能，采用澆水急冷，使焊接區(qū)域塑性增加。

2.8? ? 焊后檢驗(yàn)

用5～10倍放大鏡檢查焊縫表面無(wú)氣孔、裂紋、夾渣等焊接成型缺陷;經(jīng)射線探傷檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、未熔合、夾渣等缺陷，焊縫質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)高爐燒嘴母材焊接性的分析，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)條件，確定焊接修復(fù)方案，并對(duì)高爐粉塵燒嘴進(jìn)行修復(fù)，經(jīng)過半年使用，效果良好。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 閆久春，崔西會(huì)，李慶芬，等.預(yù)熱對(duì)紫銅厚板TIG焊接工藝性的影響[J].焊接，2005（9）：59-61.

[2] 王曉冬，劉月輝.紫銅母線焊接工藝方法的研究[J].黑龍江科技信息，2010（16）：38.

[3] 鄧子剛.紫銅管的氬弧焊焊接工藝[J].河北電力技術(shù)，1994（1）：51-53.

[4] 申有才.大截面紫銅母線鎢極氬弧焊焊接工藝[J].化工建設(shè)工程，2001，23（4）：25-26.

[5] 武廣昭.大截面紫銅母線的焊接工藝與組裝[J].熱加工工藝，2007，36（23）：91-92.

收稿日期：2020-03-31

作者簡(jiǎn)介：趙輝（1973—），男，甘肅平?jīng)鋈耍v師，研究方向：焊接工藝、焊接再制造。