陽極環的焊接難點分析與解決方法

丁紅星

[中圖分類號] TG456.6

[文獻標志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0042-04

Analysis and Solution of Welding Difficulties of Anode Ring

Ding Hong-xing

[ Abstract] DC arc fumace is an arc furnace which uses DC as energy. It is similar to AC arc fumace， and uses the arc generated between electrodeand fumace charge （or molten pool）to heat， so as to achieve the purpose of smelting. DC arc fumaces can be used to melt steel or alloy and non-ferrousmetals. The anode ring is composed oflow alloy steel body and three assemblies welded by welding low alloy steel plate ，copper connecting plate/copperconnecting pipe. The low alloy steel plate/copper connecting plate in the assembly plays a strong role in supporting the copper pipe， and the copperconnecting plate/copper connecting pipe is used to cool the anode ring. In the renovation project of DC arc fumace in a company， the anode ring at thebottom ofDC arc fumace needs to be made. However，it is difficult to weld in the period. This paper analyzes the welding difficulties and solutions ofanode ring according to this project

[ Keywords]

DC arc furnace; anode ring; low alloy steel thick plate welding; copper welding; dissimilar material welding

陽極環本體材質為低合金鋼，其中上、下法蘭為低合金鋼厚板，三個組合件為低合金鋼板/紫銅連接板/紫銅連接管。因此陽極環的制作難點就在于上、下法蘭低合金鋼厚板的焊接，紫銅連接板與紫銅連接管的銅焊以及低合金鋼板與紫銅連接板的異種材料焊接。

1 原材料的轉化與確認

由于圖紙為國外設計圖紙（圖1），因此第一步是和國外的設計人員轉化并確認圖紙上的材料所對應的國內材料牌號。這也是下一步選擇焊接填充材料，確定焊接工藝的基礎。經確認，組合件材料轉化如下。件8為低合金鋼板Q345R，lOOmm×1200×567，3件。件9為低磷無氧銅板，lOOmm×1100×320，3件。件10為低磷無氧銅管，0140×15×880。件26為低磷無氧銅銅法蘭。件27為低磷無氧銅銅蓋板。件28為碳鋼管接頭。

2 材料的焊接性分析

2.1 低磷無氧銅Cu-HCP/CW021A

Cu-HCP/CW021A屬于低磷無氧銅，俗稱紫銅，由于不含氧并且有害雜質Bi、Pb等含量極低，因此有很好的焊接性，焊接時不易產生熱裂紋及氣孔，其化學成分見表1。

但銅的導熱系數人，20℃時銅的導熱系數比鐵人7倍多，1000℃時人11倍多，這就導致焊接時熱量迅速從加熱區傳導出去，使母材與填充金屬難以熔合。銅和鐵物理性能的比較見表2。焊接紫銅時，如果采用的焊接規范與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，產生焊不透現象。因此紫銅焊接時需要解決導熱系數人的問題，要使用人功率的熱源，在焊前和焊接過程中還要采取預熱措施。

2.2 低合金鋼Q345R

低合金高強度鋼Q345R主要依靠合金元素錳的固溶強化獲得高強度，另添加少量可細化晶粒和沉淀強化的Nb、V、Ti元素，熱軋狀態供貨，其化學成分和機械性能分別見表3、表4。

陽極環的上、下法蘭板厚較厚，應采用多層多道焊，以得到細化的晶粒，保證焊接接頭的機械性能。

根據碳當量公式：CEV（%）=C+Mn/6+（ Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，計算Q345R的碳當量，約為0.45左右，屬于有淬硬傾向的鋼，又因為板厚較人，為了避免冷裂紋的產生，就需要采取預熱及控制熱輸入的措施。對于厚板多層多道焊，為了促進焊接區氫的逸出，防I【.焊接過程中氫致裂紋的產生，應嚴格控制氫的來源，并應控制焊道間溫度不低于預熱溫度。

3 焊接方法的確定及焊接材料的選擇

3.1低合金鋼與低合金鋼的焊接

手工焊、熔化極氣體保護焊、埋弧焊等方法均可用于低合金鋼的焊接。本產品考慮到經濟性、效率等因素，確定使用熔化極氣體保護焊進行焊接。

焊絲采用ER50-6.巾1.2 mm：保護氣體采用20%氬氣+80%二氧化碳混合氣體。

3.2 紫銅與紫銅的焊接

根據焊接接頭的不同型式分別選用鎢極惰性氣體保護焊或熔化極惰性氣體保護焊進行焊接。

焊縫采用S201 （ERCu）;保護氣體采用50%氬氣+50%氦氣混合氣體。添加氦氣的目的是增加電弧的熱量，由于銅的導熱性強，如果條件允許，可以提高進一步提高氦氣的混合比例。

3.3 紫銅與低合金鋼的異種材料焊接

根據圖紙要求，在低合金鋼板（件8）及紫銅板（件9）的兩側坡口上先行堆焊5 mm鋁青銅過渡層，然后再整體焊接。

考慮到效率、操作性等因素，采用熔化極惰性氣體保護焊。

焊絲采用S214（ ERCuAl-AI），中1.2 mm;保護氣體采用氬氣。

4 焊接工藝評定設計

根據IS015614-1，IS015614-6，IS015614-7及B432-04的要求對以下涵蓋…極環制造的焊接工藝進行評定，焊接工藝評定如表5所示。

以上焊接工藝評定合格后開始焊接。

5 陽極環制作工藝

陽極環的整體制作工藝分為三步。

第一步完成低合金鋼本體的焊接。

第二步完成低合金鋼板/紫銅連接板/紫銅連接管組合件焊接。

第三步將低合金鋼板/紫銅連接板/紫銅連接管組合件插入低合金鋼本體，完成最終的產品焊接。

5.1 低合金鋼本體的焊接

陽極環本體上的低合金鋼上、下法蘭板，材質為Q345R，板厚較人，其中上法蘭板厚度50 mm，下法蘭板厚度80 mm，如圖2所示。

根據之前項目執行中的經驗對40 mm厚度及以上的鋼板在焊接前進行超聲波探傷以確認鋼板質量，保證無夾層等軋制缺陷。

根據項目要求對此項目的所有材料進行原材料追溯跟蹤。

剛極環上、下法蘭直徑將近5m，因此對上、下法蘭采用分三片下料然后拼焊成整體的工藝。法蘭拼焊工藝為全熔透對接工藝，接頭根據IS09606的要求開X型坡口，焊后超聲波探傷和磁粉探傷以保證焊接質量。

按圖裝配陽極環低合金鋼本體并完成焊接（圖3）。

陽極環低合金鋼本體焊接完成后整體進行消應力熱處理。

5.2 低合金鋼板/紫銅連接板/紫銅連接管組合件的焊接

5.2.1 焊接順序的確定

對于低合金鋼與紫銅之間的異種材料對接或角接焊縫先各自堆焊過渡層材料;然后再焊接紫銅與紫銅之間的對接和角接焊縫，因為紫銅焊接需要很高的預熱溫度并且對焊接操作的要求很高;最后焊接完成低合金鋼與紫銅之間的對接或角接焊縫，完成整個組合件的焊接。

具體焊接順序如圖4所示。

5.2.2申請更改坡口型式以降低焊接難度，保證焊接質量

低合金鋼板與紫銅板之間的接頭為異種材料焊接接頭。根據圖紙要求在分別在兩側的低合金鋼板、紫銅板上先堆焊Smm厚鋁青銅。

低合金鋼板與紫銅板之間的原設計坡口為K型坡口，圖5，這種坡口可以節約填充材料，減少焊接量，但對焊接操作人員的能力有較高要求。

為降低焊接難度，經與國外設計人員溝通，將K型坡口改為X型坡口，以降低焊接難度，保證焊接質量。

5.2.3 鋁青銅過渡層的堆焊

焊接順序1、2、3為鋁青銅過渡層堆焊，如圖6、圖7、圖8所示。

為保證焊接質量，低合金鋼板（件8）和紫銅板（件9）上的焊接坡口全部采用機加工的方式制備，紫銅端蓋（件27）的環形堆焊區域也需打磨至露出金屬光澤，以保證過渡層材料和基體的良好結合。

坡口制備完成后分別按照低合金鋼鋁青銅過渡層堆焊和紫銅鋁青銅過渡層堆焊的焊接工藝規程進行焊接。

堆焊完成后仍采用機加工的方式加工堆焊層坡口并保證圖紙要求的堆焊層厚度5 mm，同時將溢出的過渡層材料去除。

冷卻后用滲透探傷檢查過渡層堆焊表而質量，用超聲波探傷檢查異種材料結合而處的結合質量。

5.2.4 紫銅全熔透對接焊縫

焊接順序4為紫銅管與紫銅法蘭全熔透對接焊縫，如圖9所示。

由于紫銅的導熱性好，因此紫銅的全熔透對接焊縫需要焊工掌握熟練的焊接技術。

焊前用301焊粉加水調成糊狀，坡口周圍涂刷，去除氧化膜，包括在焊接過程中也不容易受到浮在熔池表而的氧化膜的影響。

冷卻后目視檢驗VT及著色探傷PT檢查焊縫表而質量。

加工紫銅管上用于裝配紫銅板（件9）的缺口，粗糙度3.2。

5.2.5 紫銅角焊縫

焊接順序5為紫銅管與紫銅蓋板之間的紫銅角焊縫，如圖10所示。

焊接方法與焊接順序4類似。

冷卻后目視檢驗VT及著色探傷PT檢查焊縫表而質量。

5.2.6 紫銅部分熔透角焊縫

焊接順序6為紫銅板與紫銅管之間的部分熔透角焊縫，如圖11所示。

焊接方法與焊接順序4類似。

冷卻后目視檢驗VT及著色探傷PT榆查焊縫表而質量。

5.2.7 鋁青銅角焊縫

焊接順序7為鋁青銅角焊縫，如圖12所示。

5.2.8 鋁青銅全熔透對接焊縫

焊接順序8為已完成過渡層堆焊的低合金板（件8）與紫銅板（件9）之間的鋁青銅全熔透對接焊縫。

按照鋁青銅的焊接工藝規程（WPS）進行焊接。

冷卻后目視檢驗VT及著色探傷PT檢查焊縫表而質量。

5.2.9 焊縫無損探傷及壓力測試

焊后對所有銅及銅合金焊縫進行目視檢驗及著色探傷（圖13）。

紫銅連接板/紫銅連接管組合件需要制作工裝對紫銅管進行壓力測試，保證焊縫水密。

5.3 陽極環整體的焊接

按照圖紙要求將低合金鋼板/紫銅連接板/紫銅連接管組合件插入低合金鋼本體完成陽極環整體的焊接（圖14）。

拼裝組合件時應注意3個插入件應位于同一水平而上，必要時修整本體上的開口位置。

按照低合金鋼焊接工藝完成件8（低合金鋼）與低合金鋼本體之間角焊縫的焊接，焊接時應注意不斷測量3個插入組合件的水平位置尺寸，通過調整焊接順序使3個插入組合件的水平而始終保持在公差允許的范圍內。

焊后對低合金鋼角焊縫進行磁粉探傷MT，保證焊接質量。

6 完成后續機加工工序

按照圖紙要求完成后續機加工工序，保證裝配尺寸。

參考文獻

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