论文部分内容阅读
[摘 要]在异种材料焊接中，经常会遇到由于材料、现场焊接条件等原因，使得一些焊接接头不能满足要求，而实际生产中还必须连接在一起的工件，采用过渡段兼顾两种母材的焊接性，能很好的解决这个问题。
[关键词]异种金属焊接；铜管焊接。
中图分类号：TG457.1文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-01
尼尔基水利枢纽水电站位于嫩江干流中游段，左岸为黑龙江省讷河市，右岸为内蒙古莫力达瓦旗，为河床式电站，总装机容量为4×62.5MW。尼尔基水电站承担电力系统调峰、负荷备用、事故备用和基荷。
1 概述
尼尔基水电站调速器过速保护操作油管设计是φ18、φ16、φ12三种规格的紫铜管，工作压力为6.3MPa，连接方式全部采用普通钢卡套式，近几年多处管接头存在渗漏的现象，甚至发生过一次卡套接头爆出跑油事故，在机组运行中存在着很大的安全隐患，也成为我们检修维护的一个难题。我们对几个典型卡套接头进行拆卸发现卡套锥面及根部存在细小的裂纹，导致接头处漏油。分析原因是由于铜管长期带压工作，处于疲劳状态以及铜与钢在物理性能存在差异，铜的线膨胀系数比钢略大，而收缩率是钢的2.35倍，且铜的导热能力很强，这样在开停机时油温变化导致铜管与卡套径向膨胀或者收缩不能同步进行，接头承载的压力在铜管与卡套之间交替进行，钢卡套的韧性相对铜管要差，因此导致卡套裂纹生成使得接头刚性密封遭到破坏。另外机组运行时管路产生的脉动，以及切换油路时引起的震动，都加速了卡套疲劳破损，导致接头漏油和接头爆出的危险。
从上述的分析原因提出更换卡套式连接方式，采用不锈钢材质焊接式接头，但是不锈钢与铜焊接属于异种金属焊接，铜与钢在高温时，晶格类型、晶格常数、原子半径等都很接近，有利于焊接；但是，熔点、导热系数、膨胀系数等差异较大，铜的熔点比不锈钢低约400℃，导热系数是不锈钢的24倍，这些会增加焊接应力，导致热裂纹倾向加大。
由于铜易氧化，形成CuO、Cu20与不锈钢中的Ni、Si、S、P等元素形成低熔点共晶体，在焊接应力的作用下，易产生热裂纹。另外当填充材料不当，焊接规范偏大，液态铜可能渗透到不锈钢中产生渗透裂纹。如果采用氩弧焊，热影响区窄，工件变形小，焊缝成形容易控制，但是氩弧温度高，如果工艺参数不当，可以造成氧化作用增强或溶合比过大等从而增大裂纹倾向。而采用火焰钎焊法，焊接熔池温度易于控制，容易实现单面焊双面成型，接头强度良好，操作方便，适合现场施工。
施工前对阀门接头，管路活接头，管路三通，设备接头等做焊接工艺评定，在同种条件下分别对各样式接头进行施焊，然后选择额定压力的1.25倍做耐压试验，保持30分钟，大部分满足工艺要求，只有閥门接头出现渗漏，随着压力的升高渗漏逐渐加大，在放大镜下发现靠近不锈钢一侧焊缝上存在细小的裂纹。考虑到缺陷是否由焊接操作不当造成的，再次焊接依然存在这种情况。选择不同的工艺参数在次试验，结果缺陷存在的位置和形式没有变化，分析问题出在阀门不锈钢材质上。这是一批价格不菲的阀门，淘汰将给电厂造成很大的损失，在一方面，就是春季检修时间紧迫，必须在汛期前投入运行。摆在面前的只有一条路，那就是必须按期完成改造任务。
根据厂里现有的条件，如期完成任务只有在技术上做革新，提出在阀门与铜管连接处加一过渡段，兼顾阀门接头与铜管材料的焊接性，开始做焊接试验。
2 焊接工艺
首先选择相同管径的，焊接性相对较好的不锈钢管做过渡段，过渡段与阀门接头连接，采用手工电弧焊接。过渡段与铜管连接采用氧-乙炔钎焊。焊接工艺如下。
2.1 阀门与过渡段焊接
（1）坡口形式如图1
（2）管子用机械加工方法切断，用砂轮机开坡口，必要时可用磨光机或锉刀修正管口，以便装配时，缝隙均匀。
（3）配前做好焊缝区的清洁工作，在接头两侧各50mm范围内的内、外表面用丙酮清洗干净，至焊接前不得沾污。
（4）手工电弧焊焊条为直径φ2.5mm A102焊条，使用前焊条需经200℃烘干1小时。
（5）手工电弧焊焊接规范按表1
（6）焊接结束后对焊缝进行检验，焊缝表面不允许存在裂纹、气孔、未熔合、未焊透和连续咬边等缺陷。焊缝表面不得低于母材。
（7）耐压试验，额定压力6.3MPa的1.25倍7.8MPa，保持30min，焊口无渗漏。
（8）清除焊缝药皮，管内清扫干净。检查合格后进行下面工序。
2.2 过渡段与铜管焊接
（1）坡口形式如图2
（2）管子用机械加工方法切断，用砂轮机开坡口，必要时可用磨光机或锉刀修正，以便装配时，缝隙均匀。
（3）装配前做好焊缝区的清洁工作，在接头两侧各50mm范围内的内、外表面用丙酮清洗干净，至焊接前不得沾污。
（4）焊缝钎料的选择应是熔点较低，流动性较好，机械强度较高，在紫铜和不锈钢纤焊中，选用锡黄铜气焊丝（丝221）或铁黄铜气焊丝（丝222）作钎料，直径为φ2.4mm，并用丙酮清洗干净。
（5）钎焊时尽量选用能有效地熔解氧化铜和氧化亚铜的气焊熔剂，使用气剂301或脱水硼砂50%和硼酸50%的混合剂作熔剂。
（6）钎焊时使用氧气—乙炔焰施焊，取小号焊炬，5号焊嘴，火焰调整至中性焰施焊。
（7）施焊时，当接头部位共同出现红色时，即将焊丝煨热沾上气焊熔剂，利用火焰的外焰和热焊丝，焊丝在钎焊处摆动，当继续加热达到钎料熔点时，焊丝熔化流布焊缝，这时迅速继续熔化钎料和有规律地移动焊炬，直到钎焊完毕。
（8）在施焊中，一般将火焰能率主要集中在铜管，焊嘴倾斜于铜管。对紫铜管来说，利用火焰中心的热能作为热源，对不锈钢来说，利用火焰外焰和热传导作为热源，焊丝也利用外焰和热传导熔化。
（9）要严格控制施焊处的温度，不可过热，尽量减少熔池处于高温的时间，一则减少焊丝中锌的蒸发和铜的氧化；二则避免不锈钢高温过热。减少不锈钢部分的热输入量，做到既能很好钎焊，又在较低的温度和较短的时间中进行。
（10）焊接结束后，对接头钎焊剂残留物必须进行彻底的清除。
（11）耐压试验，额定压力6.3MPa的1.25倍7.8MPa，保持30min，焊口无渗漏。
3 结论
实践证明这是一种切实可行的方案，简单易行，不需要做复杂的金属焊接性试验。当然我们现有的条件也无法做这种试验。在节约成本上，我们外购的阀门已经全部到货，如果焊接质量不能达到要求，只能闲置或是报废，这将会是很大的经济损失，工期也将延后。在质量方面，通过外观检查，无表面缺陷，焊缝美观。耐压试验，无泄漏，质量符合要求，效果很好。在时间上，为如期完成检修任务提供保障。在技术革新道路上也起到一个好的带头作用。
[关键词]异种金属焊接；铜管焊接。
中图分类号：TG457.1文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-01
尼尔基水利枢纽水电站位于嫩江干流中游段，左岸为黑龙江省讷河市，右岸为内蒙古莫力达瓦旗，为河床式电站，总装机容量为4×62.5MW。尼尔基水电站承担电力系统调峰、负荷备用、事故备用和基荷。
1 概述
尼尔基水电站调速器过速保护操作油管设计是φ18、φ16、φ12三种规格的紫铜管，工作压力为6.3MPa，连接方式全部采用普通钢卡套式，近几年多处管接头存在渗漏的现象，甚至发生过一次卡套接头爆出跑油事故，在机组运行中存在着很大的安全隐患，也成为我们检修维护的一个难题。我们对几个典型卡套接头进行拆卸发现卡套锥面及根部存在细小的裂纹，导致接头处漏油。分析原因是由于铜管长期带压工作，处于疲劳状态以及铜与钢在物理性能存在差异，铜的线膨胀系数比钢略大，而收缩率是钢的2.35倍，且铜的导热能力很强，这样在开停机时油温变化导致铜管与卡套径向膨胀或者收缩不能同步进行，接头承载的压力在铜管与卡套之间交替进行，钢卡套的韧性相对铜管要差，因此导致卡套裂纹生成使得接头刚性密封遭到破坏。另外机组运行时管路产生的脉动，以及切换油路时引起的震动，都加速了卡套疲劳破损，导致接头漏油和接头爆出的危险。
从上述的分析原因提出更换卡套式连接方式，采用不锈钢材质焊接式接头，但是不锈钢与铜焊接属于异种金属焊接，铜与钢在高温时，晶格类型、晶格常数、原子半径等都很接近，有利于焊接；但是，熔点、导热系数、膨胀系数等差异较大，铜的熔点比不锈钢低约400℃，导热系数是不锈钢的24倍，这些会增加焊接应力，导致热裂纹倾向加大。
由于铜易氧化，形成CuO、Cu20与不锈钢中的Ni、Si、S、P等元素形成低熔点共晶体，在焊接应力的作用下，易产生热裂纹。另外当填充材料不当，焊接规范偏大，液态铜可能渗透到不锈钢中产生渗透裂纹。如果采用氩弧焊，热影响区窄，工件变形小，焊缝成形容易控制，但是氩弧温度高，如果工艺参数不当，可以造成氧化作用增强或溶合比过大等从而增大裂纹倾向。而采用火焰钎焊法，焊接熔池温度易于控制，容易实现单面焊双面成型，接头强度良好，操作方便，适合现场施工。
施工前对阀门接头，管路活接头，管路三通，设备接头等做焊接工艺评定，在同种条件下分别对各样式接头进行施焊，然后选择额定压力的1.25倍做耐压试验，保持30分钟，大部分满足工艺要求，只有閥门接头出现渗漏，随着压力的升高渗漏逐渐加大，在放大镜下发现靠近不锈钢一侧焊缝上存在细小的裂纹。考虑到缺陷是否由焊接操作不当造成的，再次焊接依然存在这种情况。选择不同的工艺参数在次试验，结果缺陷存在的位置和形式没有变化，分析问题出在阀门不锈钢材质上。这是一批价格不菲的阀门，淘汰将给电厂造成很大的损失，在一方面，就是春季检修时间紧迫，必须在汛期前投入运行。摆在面前的只有一条路，那就是必须按期完成改造任务。
根据厂里现有的条件，如期完成任务只有在技术上做革新，提出在阀门与铜管连接处加一过渡段，兼顾阀门接头与铜管材料的焊接性，开始做焊接试验。
2 焊接工艺
首先选择相同管径的，焊接性相对较好的不锈钢管做过渡段，过渡段与阀门接头连接，采用手工电弧焊接。过渡段与铜管连接采用氧-乙炔钎焊。焊接工艺如下。
2.1 阀门与过渡段焊接
（1）坡口形式如图1
（2）管子用机械加工方法切断，用砂轮机开坡口，必要时可用磨光机或锉刀修正管口，以便装配时，缝隙均匀。
（3）配前做好焊缝区的清洁工作，在接头两侧各50mm范围内的内、外表面用丙酮清洗干净，至焊接前不得沾污。
（4）手工电弧焊焊条为直径φ2.5mm A102焊条，使用前焊条需经200℃烘干1小时。
（5）手工电弧焊焊接规范按表1
（6）焊接结束后对焊缝进行检验，焊缝表面不允许存在裂纹、气孔、未熔合、未焊透和连续咬边等缺陷。焊缝表面不得低于母材。
（7）耐压试验，额定压力6.3MPa的1.25倍7.8MPa，保持30min，焊口无渗漏。
（8）清除焊缝药皮，管内清扫干净。检查合格后进行下面工序。
2.2 过渡段与铜管焊接
（1）坡口形式如图2
（2）管子用机械加工方法切断，用砂轮机开坡口，必要时可用磨光机或锉刀修正，以便装配时，缝隙均匀。
（3）装配前做好焊缝区的清洁工作，在接头两侧各50mm范围内的内、外表面用丙酮清洗干净，至焊接前不得沾污。
（4）焊缝钎料的选择应是熔点较低，流动性较好，机械强度较高，在紫铜和不锈钢纤焊中，选用锡黄铜气焊丝（丝221）或铁黄铜气焊丝（丝222）作钎料，直径为φ2.4mm，并用丙酮清洗干净。
（5）钎焊时尽量选用能有效地熔解氧化铜和氧化亚铜的气焊熔剂，使用气剂301或脱水硼砂50%和硼酸50%的混合剂作熔剂。
（6）钎焊时使用氧气—乙炔焰施焊，取小号焊炬，5号焊嘴，火焰调整至中性焰施焊。
（7）施焊时，当接头部位共同出现红色时，即将焊丝煨热沾上气焊熔剂，利用火焰的外焰和热焊丝，焊丝在钎焊处摆动，当继续加热达到钎料熔点时，焊丝熔化流布焊缝，这时迅速继续熔化钎料和有规律地移动焊炬，直到钎焊完毕。
（8）在施焊中，一般将火焰能率主要集中在铜管，焊嘴倾斜于铜管。对紫铜管来说，利用火焰中心的热能作为热源，对不锈钢来说，利用火焰外焰和热传导作为热源，焊丝也利用外焰和热传导熔化。
（9）要严格控制施焊处的温度，不可过热，尽量减少熔池处于高温的时间，一则减少焊丝中锌的蒸发和铜的氧化；二则避免不锈钢高温过热。减少不锈钢部分的热输入量，做到既能很好钎焊，又在较低的温度和较短的时间中进行。
（10）焊接结束后，对接头钎焊剂残留物必须进行彻底的清除。
（11）耐压试验，额定压力6.3MPa的1.25倍7.8MPa，保持30min，焊口无渗漏。
3 结论
实践证明这是一种切实可行的方案，简单易行，不需要做复杂的金属焊接性试验。当然我们现有的条件也无法做这种试验。在节约成本上，我们外购的阀门已经全部到货，如果焊接质量不能达到要求，只能闲置或是报废，这将会是很大的经济损失，工期也将延后。在质量方面，通过外观检查，无表面缺陷，焊缝美观。耐压试验，无泄漏，质量符合要求，效果很好。在时间上，为如期完成检修任务提供保障。在技术革新道路上也起到一个好的带头作用。