變壓器箱體中紫銅與箱壁的焊接

商杰

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000）

圖1

紫銅為有色金屬，其最好的焊接方法應(yīng)為氬弧焊。但實(shí)際生產(chǎn)中焊接量大，使用氬弧焊效率太低，成本較高，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。為了保證效率及質(zhì)量，最終采用了氣體保護(hù)焊，使用富氬氣體及銅焊絲進(jìn)行焊接，后又改進(jìn)為采用純氬氣保護(hù)，取得了良好的焊接效果。

1 紫銅的物理特性及可焊性

紫銅因呈紫紅色而得名，具有極好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、良好的常溫和低溫塑性，對大氣、海水和某些非氧化性酸、堿、鹽溶液及多種有機(jī)酸中，有良好的耐蝕性，因此在工業(yè)中廣泛用于制造電工器件、電纜、散熱器、冷凝器、熱交換器等。銅的可焊性是比較差的，焊接銅比焊接低碳鋼困難得多。

1.1 難熔合及易變形

紫銅導(dǎo)熱系數(shù)大，20℃時(shí)比鐵大7倍多，1000℃時(shí)大11倍。如果采用的焊接規(guī)范和焊接同厚度低碳鋼差不多，則母材就很難熔化，填充金屬和母材不能很好地熔合，產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象，需要使用大功率的熱源，通常在焊前或焊接過程中還要采取預(yù)熱措施。銅的線脹系數(shù)比鐵大15%，而收縮率比鐵大一倍以上。再加上銅的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，使焊接熱影響寬，焊接時(shí)如工件剛度不大，又無防止變形的措施，會產(chǎn)生較大的變形。

1.2 裂紋

銅焊接時(shí)，在焊縫及近縫區(qū)可能產(chǎn)生裂紋，其中最常見是熱裂紋，與兩個(gè)因素有關(guān)：一是焊縫中雜質(zhì)和合金元素的影響，氧是銅中經(jīng)常存在的雜質(zhì)，對焊縫熱裂紋傾向影響很大；二是焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

2 鋼與紫銅的可焊性分析

Fe與Cu的原子半徑、點(diǎn)陣類型、晶格常數(shù)及外層電子數(shù)都比較接近，這對鋼與紫銅之間的焊接比較有利。但是，熔化焊接還有一定的難度，主要如下。

（1）鋼與銅的物理性能不同，熔點(diǎn)及線膨脹系數(shù)差異大。在焊接過程中會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

（2）銅的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的7倍多，熔池的冷卻速度比鋼要快得多，氫的擴(kuò)散逸出和水的上浮條件更為惡劣，形成氣孔的敏感性增大。

（3）在焊縫或近縫區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋，影響接頭的強(qiáng)度及氣密性。由于鋼與紫銅中含有—定量的雜質(zhì)，如氧、硫、磷等。在焊接過程中，這些雜質(zhì)元素易形成各種低熔點(diǎn)的共晶體和脆性化合物存于焊縫晶界處，嚴(yán)重削弱了金屬在高溫時(shí)的晶間結(jié)合力，是焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。

3 焊接方法選擇

3.1 焊接方法

由于生產(chǎn)中紫銅與箱壁焊接量較大，考慮到成本與效率，采用了熔化極氣體保護(hù)焊，并選擇了Φ1.2毫米的S201紫銅焊絲。

3.2 保護(hù)氣體及流量的選擇

在剛開始焊接時(shí)采用了20%CO2，80%氬氣的富氬氣體作為保護(hù)氣體。雖然可以焊接，但是焊后焊接裂紋、缺陷較多，焊縫成形非常差，飛濺多，后期的返修打磨工作工作量大，嚴(yán)重影響了工作效率。

為了提高工作效率，改善焊縫成形及飛濺，通過多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用99.99%的純氬氣進(jìn)行焊接。調(diào)整焊接參數(shù)，焊后焊縫成形質(zhì)量有明顯提高，裂紋、氣孔、未融合等缺陷、飛濺也顯著的減少，降低了砂輪片等工具、能源、器材的損耗，降低了成本，工作效率大大提高，返修打磨工序效率提高2倍以上。圖2為富氬氣體焊縫成形圖。圖3為純氬氣焊后成形圖。

圖2 富氬氣體焊縫成形

圖3 純氬氣焊后成形

氣體流量過小，保護(hù)氣體的挺度不足，焊縫容易產(chǎn)生氣孔等缺陷；氣體流量過大，浪費(fèi)氣體，而且氧化性增強(qiáng)。通常細(xì)絲焊接時(shí)，氣體流量在15～25L/min之間。

4 組合及焊接過程中的注意事項(xiàng)

4.1 焊前的組合及點(diǎn)焊

在組合，點(diǎn)焊前應(yīng)對變壓器油箱的箱壁認(rèn)真測量并核對圖紙尺寸，做好紫銅板的鋪焊規(guī)劃，充分利用板材大小，盡量減少接料和浪費(fèi)。按照圖紙合理的制作塞焊孔。為了保證紫銅板與變壓器箱壁的充分融合，應(yīng)使兩塊紫銅板之間的間距最少不得小于10mm。清理焊縫周圍母材上的鐵銹及油污，打磨紫銅板剪裁后的焊縫端面及周圍，直至露出金屬光澤。點(diǎn)焊時(shí)由于紫銅板線膨脹系數(shù)大，強(qiáng)度較低，點(diǎn)焊焊縫容易開裂。應(yīng)盡量加大點(diǎn)焊的密度，使其點(diǎn)焊牢固，減少焊接過程中的變形。

4.2 焊接的工藝參數(shù)

采用短路過渡焊接，在電弧電壓與焊接電流相匹配時(shí)，飛濺少，成形良好的焊縫。

焊接電流過大，雖然可以提高生產(chǎn)效率，并使熔透深度增加，但易出現(xiàn)咬邊、焊穿、增加焊件變形和金屬飛濺，也會使焊接接頭的組織由于熱量過大而變化，并增大氣孔傾向。電流過小使電弧不穩(wěn)、熔深減小，易出現(xiàn)成型不良、未融合等缺陷。經(jīng)過大量的試驗(yàn)，在焊接紫銅板時(shí)應(yīng)采用相對于碳鋼焊接更大的焊接規(guī)范：焊接電流為260～280A，焊接電壓為28～31V，焊接速度35～45cm/min。焊絲干伸長度以8～15mm為宜。

4.3 易產(chǎn)生的缺陷及其他注意事項(xiàng)

在焊接過程中，由于紫銅板厚度不大，并且面積較大無法有效的進(jìn)行預(yù)熱，為了減少其焊接變形，采用從每塊紫銅板的中間向四周分段焊接，先焊接塞焊位置再焊接周圍長焊縫。利用紫銅板有著良好的塑性的特性，如果產(chǎn)生輕微變形可用手錘敲擊使其平整。（如圖4）。

圖4

由于使用氣體保護(hù)焊來焊接紫銅板與箱壁其焊接成型比之氬弧焊來說成型較差，且易出現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊、等缺陷，焊后需仔細(xì)打磨，徹底修復(fù)缺陷使其干凈平整美觀。（如圖5）

圖5

4.4 焊接防護(hù)

紫銅的焊接出了焊工常見的危害以外，銅加熱會與空氣發(fā)生氧化生成CuO，它進(jìn)入人體后會變成銅離子，會使人產(chǎn)生重金屬中毒。所以焊接的時(shí)候相對于焊接碳鋼金屬要有更高的防護(hù)準(zhǔn)備，并一定要在工作區(qū)保持通風(fēng)順暢。應(yīng)為焊工提供帶有空氣過濾系統(tǒng)的面部送風(fēng)型焊接面具（如圖6），確保了焊工生產(chǎn)過程中的安全。

圖6

5 結(jié)語

通過不斷實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化焊接參數(shù)，改變保護(hù)氣體進(jìn)一步改善了焊縫成形效果，減少了飛濺及裂紋、氣孔、未融合等缺陷的產(chǎn)生，明顯的提高了焊縫外觀質(zhì)量及生產(chǎn)效率，并且有效的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，取得了較好效果。