浅谈氩弧焊在紫铜板焊接中的应用

浅谈氩弧焊在紫铜板焊接中的应用

吴伟

云南锡业职业技术学院

引言 在某电解车间的扩建项目中，需要使用大量紫铜母排敷设在电解池两边，分别连接阴阳极板，用来传导大电流，起到电解并吸附金属的目的。为了使母排焊缝达到生产技术要求，现场经过多种焊接方法反复试焊、分析、研究，最终使用手工钨极氩弧焊使铜母牌焊缝质量达到了生产使用技术要求，圆满完成了此次焊接任务。

关键词 紫铜、手工钨极氩弧焊

1. 紫铜的特点及焊接性分析

1.1紫铜的特点

紫铜为铜含量不小于99.5%的工业纯铜，因色泽呈紫红色，故称紫铜。在潮湿空气中铜表面会产生一层碱式碳酸铜，俗称铜锈（铜绿）。铜中常含少量的铋、铅、硫、氧、磷、锑、砷等杂质元素，所有杂质都会降低铜的导电性，铜不论在冷态或热态都有很高的塑性，但强度和硬度较低。但在400-700℃的高温下，强度及塑性却大大降低。

1.2紫铜的焊接性分析

1.2.1难熔合

紫铜的导热性比钢好得多，铜的导热系数是钢的7倍，随着温度的升高，差距还要大。大量的热被传导出去，母材难以局部熔化，必须采用功率大、热量集中的热源，有时还要预热，热影响区很宽。

1.2.2铜氧化性

铜在常温时不易被氧化。但是随着温度升高，当超过300℃时，其氧化能力很快增大，当温度接近熔点时，其氧化能力最强。氧化的结果生成氧化亚铜。焊缝金属结晶时，氧化亚铜和铜形成低熔点（1064℃）的共晶，分布在铜的晶界上，大大降低了焊接接头的机械性能，所以，铜的焊接接头的性能一般低于母材。

1.2.3铜焊接过程中气孔的产生及预防与控制

铜产生气孔的倾向远比钢严重。其中一个直接原因是铜导热性好，焊接熔池凝固速度快，液态熔池中气体上浮的时间短来不及逸出，易造成气孔。但根本原因是气体溶解度随温度下降而急剧下降及化学反应产生气体所致。 铜的气孔分两种类型，即氢造成的扩散气孔和水蒸气造成的反应气孔。在焊缝凝固前会有很多氢要逸出，但铜焊缝的凝固速度比较快，氢来不及逸出便要形成气孔。这就是扩散气孔。高温时铜与氧亲和而形成氧化亚铜，在1200℃以上可溶于液态铜中，低于1200℃便要游离出来，氧化亚铜与氢反应生成铜和水蒸汽，水蒸气不溶于液态铜，若来不及逸出也会形成气孔。这就是反应气孔。

1.2.4热裂纹的产生及预防与控制

紫铜焊接时在焊缝及熔合区易产生热裂纹。形成热裂纹的原因是因为铜的线膨胀系数几乎比低碳钢大50％以上，由液态转变到固态时的收缩率也比较大，对于刚性大的工件，焊接时会产生较大的内应力。

为了防止热裂纹的产生必须严格限制母材和焊接材料的氧、铅、铋、硫等有害元素的含量。焊接时加强对熔池的保护，采取减少焊接应力的工艺措施，如选用热量集中的热源、焊前预热、选择合理的焊接顺序、焊后缓冷等。

二、常用紫铜连接的四种方法的可行性分析：

2.1 螺栓连接发法

螺栓连接发法是将两铜排端头压紧并在铜排上钻孔，然后采用螺栓进行紧固连接

在该工程中此方法不可取，原因是因为如果采用螺栓连接，由于铜排长期在酸池边接触面会受酸的腐蚀和空气的氧化，时间长就会发生接触不好导致产生发热的现象，从而影响了铜排的导电性，就会增大电能消耗，降低电解效果。

2.2 氧乙炔气焊法

紫铜气焊时由于铜的散热快，热能分散使工件受热面积大，变形严重，存在诸多缺陷，只能适用于一般小.薄件的修补。所以也不适用于该车间的铜母排的焊接。

2.3 手工电弧焊

紫铜的手工电弧焊，焊前有必要预热，预热温度通常在400~500℃。由于铜的导热性强，焊接时母材与填充金属难以熔合，并容易产生裂纹、气孔、未熔合等缺陷，而且焊接变形较大。因此手工电弧焊也同样不能满足生产技术要求。

2. 4. 手工钨极氩弧焊的焊接

氩弧焊具有电弧稳定，热量集中，能量密度大，熔深好，操作灵活，生产率较高，焊接中合金元素烧损较少，焊接冶金过程比较单纯，氩弧焊热量集中，热影响区小，焊后变形和裂纹倾向性都比较小，由于氩气保护有效的防止空气的渗入，减少了气孔产生的机会，从而获得高质量的焊接接头。

三、 钨极氩弧焊在铜母排焊接上的应用

3.1焊前准备

3.1.1 坡口采用V形坡口，坡口角度为50°—55°，焊前清理方法分为机械法。机械法是用电动角向磨光机、纲丝刷或砂布等清除坡口及坡口两侧20-30mm范围内的氧化膜，水分和油污、毛刺，飞边等，直至露出金属光泽。

3.1.2采用V型坡口正面焊三层，背面用角磨机清根去除根部缺陷及氧化杂质后再进行焊接一层，确保焊缝质量，并可减小焊接变形。焊接正面第一层时为了防止铜液从坡口背面留失可在焊缝接头处用钢衬垫垫起来，要用夹具将工件与衬垫夹紧。来保证焊逢成形。

3.1.3焊接施工中如遇风较大，应有可靠的防风.挡风措施，否则保护气体容易被风吹开，失去保护作用，影响焊接质量。

3.1.4 选用焊丝化学成分要与母材相匹配，紫铜的手工钨极氩弧焊选用的焊丝为丝201或丝202，也可选用紫铜丝。

3.1.5 焊接设备选用唐山松下TX-400型手工TIG两用机，极性采用直流正接，采用直流正接时，电子从钨极向工件高速冲击，产生大量的热，因此熔池深而窄，生产率高，工件变形小，而钨极本身产生的热量较小，不易过热。

3.2焊接施工要点

焊前预热：由于铜的导热性很强，焊前工件常需预热，预热可保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，并能够提高焊接速度，降低焊接冷却速度，改善结晶条件，保证焊缝质量。预热温度不宜过高,预热过高容易使热影响区扩大,在高温下停留时间过长,造成过度氧化和晶粒严重长大,降低焊缝的物理、化学特性。加热方法为氧乙炔气体火焰加热，为了使焊件在焊接过程中能保持给定的预热温度，可进行间断辅助加热，以补偿热量的散失。

3.2.1焊前装配时两个坡口面应平直，避免焊件受任何约束力，错边量不大于1mm，点固焊和焊接过程中要注意熄弧时不要突然拉起，应将焊枪移向坡口一侧灭弧以免产生缩孔和裂纹。

3.2.3起弧前应有氩气保护，然后电弧在原地稍作停留，待坡口两侧熔化后再从熔池边缘送进焊丝，送丝速度要均匀，要与焊接速度相适应，焊丝应始终处于熔池前端氩气的有效保护区内，焊丝填入点不高于熔池表面，应位于熔池边缘，以免影响母材的熔化和影响气体的保护，每道焊缝尽量一次焊完，收弧时要把弧坑填满，防止产生裂纹。

3.2.4焊接完成后，要及时用手锤锤击焊缝，以减小和消除焊接应力，必要时，采取加热退火措施消除焊接应力防止出现裂纹。
3.2.5 焊接速度也影响熔深及熔宽。通常根据紫铜母排厚度来选择焊接速度，而且为了保证良好的焊缝成形，焊接速度应与焊接电流、预热温度及保护气的流量适当匹配，焊接速度太快时，容易出现未焊透，咬边等缺陷，而焊接速度太慢时，会出现焊缝太宽，烧穿等缺陷。

3.3具体操作步骤

引弧后，焊炬应平稳的向前作直线运动，保持恒定的电弧长度，不加丝时，弧长1-2mm，加丝时，弧长2-5mm，焊炬移动时，可作间断的停留，待母材达到一定熔深后，再加焊丝，向前移动，添加焊丝时，要配合焊炬的运行动作，在焊接坡口处尚未达到溶化温度时，焊丝处于熔池前的氩气保护区内，熔池加热到一定温度后，从熔池边缘送入焊丝，如发现熔池中，混入较多杂质时，应停止加焊丝，并将焊丝适当加长，用焊丝挑去熔池表面杂质，熔池不清时，不添加焊丝。
铜母排焊接时，要严格控制钨极与焊丝或与熔池接触，如果相接触，会产生大量的金属烟尘，烟尘落入熔池，焊道上会产生大量的蜂窝状气孔和裂纹。

铜母排焊接为多层焊接，一般为3-4层，打底焊道要保证熔合良好，并要有一定厚度，以防止焊缝产生气孔和裂纹缺陷，以后各层要以窄焊道施焊，焊炬不作横向摆动，以使焊缝金属获得良好的保护，层间温度应不低于预热温度，焊下一层前，要以钢丝刷清理焊缝表面氧化物。

四、结束语：：

生产实践证明，使用钨极氩弧焊接紫铜母排，保护效果好，焊缝质量高，金属元素烧损很少，不易产生气孔。所有焊缝都达到生产使用技术要求，为安全生产奠定了坚实的基础，还降低了能耗，取得了较好的经济效益。