| 大庆油田某联合站工程中的变电所高压配电柜的母线，设计首次采用了紫铜排对接接头连接形式，改变了以往通常采用的铝排或紫铜排搭接结构气焊连接方式；该工程紫铜排母线截面较大，现场连接要在空中作业，焊接质量要求高，焊接施工难度较大。在该工程施工中，笔者通过反复试验，摸索出一套合适的焊接工艺规范，采用水冷式钨极氩弧焊方法，制作了特殊的工装卡具进行组对，焊前采取特殊工具预热，焊接过程中保持高热输入参数，严格控制层间温度，成功地实现了紫铜排母线的现场焊接，确保了工程进度和焊接质量。以下简要介绍该焊接工艺，仅供交流参考。
1 紫铜的焊接性分析
施工中所用的紫铜牌号为T1，其纯度在99.95%以上，其余为杂质。比较铜与钢的物理性能，其焊接性问题主要有：
（1）紫铜的导热系数20℃时比铁大7倍多，1000℃时为钢的11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合，因此焊接时必须采用较大功率的热源，焊前和焊接时都要采取预热和加热措施。
（2）紫铜的线胀系数比铁大15%，而收缩率又比钢大1倍多，再加上其导热能力强，焊接热影响区宽，焊接时易产生较大的变形和应力。因此，组对时应保证足够的间隙，施焊时应保证层间温度。
（3）紫铜的表面张力系数仅为钢的70%，焊接时，铜液易下淌，根部成型不好，在全位置焊接时更为严重。在空中位置进行焊接施工时，焊缝的背面应采取加垫板等相应的技术措施。
（4）焊缝及熔合区易产生气孔。主要是由氢和水汽所引起，由于铜在液态时能溶解大量的氢，而在凝固时氢的溶解度急剧减小，大量的氢要向外逸出，加上铜的导热性强，熔池凝固特别快，氢气来不及逸出，就在焊缝中形成气孔。因此，焊接施工时，要保持焊接区有好的环境，控制焊缝冷却速度。
2 焊接工艺
2.1焊接方法的选择
该工程中的变电所高压配电柜的紫铜排母线，其截面尺寸为120×12mm，设计为对接焊接接头，部分接头的焊接必须在高压配电柜的上部空中位置进行，预热及焊接条件都较差，焊接方法的选择要适应这种现场条件。
由于紫铜的导热性极强，母材不易熔化，易产生裂纹、气孔、未熔合及根部成型不好等缺陷，焊接变形大，焊后母材机械性能降低幅度较大，采用普通手弧焊方法时，焊缝的含氢、含氧量较高，锌蒸发严重，容易出气孔，焊后接头强度低，导电性下降较多，厚件焊接不宜采用；气焊时热源的温度低、能量密度小、热能分散，使焊件受热面积大、变形严重、成形差等，也不宜采用；碳弧焊预热温度较高，须保证焊口母材温度750℃以上，焊缝外观成形一般，且高温产生的Cu2O蒸汽易使焊工中毒，同时易引起渗碳，塑性较差，电阻率较大。埋弧焊预热温度稍低，约500℃左右，质量较稳定，但母线焊件尺寸结构特点及现场条件不适合采用；由于钨极氩弧焊具有电弧稳定、能量集中、保护效果好、熔池体积易于控制、操作灵活等优点，能够保证焊接质量，因此，选择了钨极氩弧焊方法。
2.2 焊材选择
焊接材料选用型号为HSCu201、规格为φ3.0mm或φ4.0mm焊丝，氩弧焊钨极采用φ4.0mm的铈钨极，保护气体为Ar气，要求Ar气体纯度在99.99%以上。
2.3 坡口形式及尺寸
α
δδδ
C
P
坡口采用V形坡口，其形式如图1所示。板厚δ=12mm，坡口角度为α=60°±5°，对口间隙为C=2～3mm，钝边P=1±0.5mm。采用砂轮机打磨加工坡口。
图1 对接焊坡口形式及尺寸
2.4 焊接设备及机具选择
焊接电源应选用额定电流450A以上的直流氩弧焊电源；焊枪选用500A以上水冷氩弧焊枪；预热及焊接过程加热采用特制大号的氧—乙炔火焰加热器；现场预热与焊接时，可采用半导体测温笔或远红外测温枪进行温度监测。
2.5 焊接工艺参数
焊接施工时，采用大热输入规范参数，见下表1。
表1 紫铜排母线焊接工艺参数
焊道
层数
焊接电流
I（A）
焊接电压
U（V）
极性
氩气流量Q
（L/min）
打底层
320～340
23～24
直流正接
16～18
填充层
350～360
26～27
直流正接
18～20
盖面层
350～360
26～27
直流正接
18～20
3 焊接施工要点
（1）为防止焊接缺陷的产生，焊接前需对工件及焊丝表面进行机械清理，将坡口两侧表面50mm范围内清刷干净，不得有氧化膜、水和油污，坡口加工面应无毛刺和飞边。然后用丙酮清洗接头焊缝及附近区域。
（2）焊前对口应平直，其弯折偏移不应大于0.2%，中心线偏移不应大于0.5%。
（3）预热温度和层间温度保持在600℃以上（紫铜排母线呈现淡红色）。为此，在焊接过程中，要始终用大号火焰加热器不断加热，采用较大的焊接热输入参数进行连续施焊。为保证工件质量，尽量保持水平焊接位置。
（4）焊接过程中需采取较大的焊接规范，使焊缝金属保持较高的温度，因此必须选择水冷焊枪。焊接时，采用左焊法，焊枪与工件夹角宜为75°～85°，焊丝与焊件间夹角为10°～20°，操作时焊枪应均匀、平稳地向前作直线运动，并保持恒定的电弧长度。当填充或盖面时，焊丝应做轻微横向摆动，在接头填满后，逐渐拉长电弧灭弧。每个焊缝应一次焊完，除瞬间断弧外不得停焊，焊接结束时要注意收弧，防止收弧处出现弧坑而影响焊接质量。
（5）焊接过程中要采取有效措施加强安全防护。由于施焊部位长时间处于高温状态，所以现场焊工焊接操作时，要在工件被焊部位处加特制的隔热板，以防止焊接工人烫伤、烧伤。
（6）每个焊口焊完后，应采用小火焰加热器对焊逢继续加热一段时间，降低焊缝的冷却速度。另外，焊接完一道焊口后，为避免焊枪的过热，应停焊一段时间，使焊枪冷却后，再焊下一道焊缝。
（7）为减少空中焊接作业，紫铜排母线的接长焊接可以在地面上进行，采用双面焊。这时紫铜排母线的组对间隙可以减小或不留间隙。焊缝正面焊完后，进行反面焊接前，要采用砂轮机进行反面清根处理。
为了保持焊后紫铜排母线的基本尺寸，减少焊接变形，地面焊接施工时，针对紫铜排母线结构尺寸，制做了特殊卡具，如图2所示。预热及焊接前先将紫铜排母线卡紧，强制防止其产生焊接变形。母线焊完未冷却前，不得移动或受力。对于局部超标的焊接变形，焊后采取水火矫形等措施进行矫正。
固定楔块
焊缝
卡具
固定楔块
焊口
铜排
固定槽钢
焊接操作引出板
图2：紫铜排母线接长连接工装卡具示意图
（8）在空中位置焊接时，采用单面焊，反面加陶瓷衬垫，衬垫形状的选择要保证焊缝加强高的尺寸要求，要留有足够的间隙。空中组对工装卡具基本形状与图2所示相似，但工装卡具的长度较短，重量较轻。空中焊接作业时，要多人配合，必须时时注意安全，防止烫伤或烧伤。
4 焊接质量标准与检验
4.1 质量标准
紫铜排母线的焊接质量执行国家标准GBJ149—90《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》规定。电阻率可以采取双臂电桥测试法。
4.2 质量保证措施
（1）焊接前要制定工艺试验方案，进行焊接工艺评定，并依据工艺评定进行现场试焊，然后确定现场焊接作业指导书。
（2）焊工应经培训考试合格后，方能上岗。
（3）焊机及氩气瓶上的计量器具必须在校验周期内，指示准确。氩气纯度要达到99.99%以上。
（4）严格执行工序交接检查制度，不合格部位必须处理后，方能进行下道工序施工。
4.3 质量检验
对焊件进行了外部、内部质量检查和焊缝直流电阻测定，结果如下：
（1）外观检查：对接焊缝上加强高度为3～4mm；焊缝熔合良好，呈圆弧形过渡，表面光滑，没有毛刺和凸凹不平之处，焊接接头表面无肉眼可见的裂纹、凹陷、缺肉、未焊透等缺陷。
（2）内部检查：对部分焊缝进行了X射线探伤检验。经检验，内部无裂纹、未熔合、夹渣、气孔等超标缺陷，依据JB4730-1994标准评定为Ⅰ级，超过了工程规定的Ⅱ级合格标准要求。
（3）焊道电阻测试：电阻率采用双臂电桥测试法，测定结果最大电阻率为0.016Ωmm2/m，与母材接近，符合GBJ149-1990标准的要求。
5 结论
（1）采用水冷式钨极氩弧方法焊接截面尺寸120×12mm的紫铜母线，焊接质量稳定，操作方便，适合现场施焊环境条件。
（2）在确定焊接方法及工艺参数时，应以工艺试验及评定为基础。施焊过程中，必须保证预热温度和焊缝层间温度，采用大规范焊接工艺参数施焊。
（3）采用本文确定的焊接工艺措施，在较短的时间一次焊接完成200道焊口，达到了无损检测一次合格率达100%，取得了良好的经济效益，保证了工程的顺利投产。目前该变电所运行状况良好。 |
