论放热熔接(CADWELD)工艺在工程中的应用

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  【摘 要】 当前国内在建化工装置尤其是合资化工装置开始普遍地选择了TBG系列免维护接地系统设计,铜包钢、铜绞线等类型的接地材料得到广泛应用,接地系统的地下部分不再使用螺栓、楔型夹等卡接形式安装,选用了更加可靠的放热熔接(CADWELD)工艺。放热熔接工艺在实际工程中的应用问题越来越突现出来。
  【关键词】 放热熔接;焊接;工艺;采购
  放热熔接是利用化学反应(放热反应)时产生超高热来完成熔接的一种方法。它的反应方程式是:3Cu2O+2AL=AL2O3+6Cu+Q(2537℃),放热熔接化学反应速度非常快(仅几秒就可以完成焊接),产生热量极高,可以有效的传导至熔接部位,使熔接剂、焊材紧密熔为一体,形成分子结合。放热熔接无须其他任何热能,应用于接地线路金属导体的连接是最好的方法(IPEEstd.80推举放热熔接法为接地线路连接的最好方法)。放热熔接具有以下显著的工艺特点:
  ①焊接点的载流能力(熔点)与导线的载流能力相等;
  ②焊接点是永久性的,不会老化;焊接是一种永久的分子结合,不会松脱;
  ③焊接点象铜一样不受腐蚀性产物的影响;
  ④焊接点能经受反复多次的大浪涌(故障)电流而不退化;
  ⑤焊接方法简单,培训容易;
  ⑥供焊接用材料很轻,携带方便;
  ⑦进行焊接时,无需外接电源和热源;
  ⑧从外观便能核查焊接的质量;
  ⑨可适用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢包括不锈钢及高阻加热源材料。
  放热熔接须使用特制模具为工具,它是采用耐高温的石墨经过精心设计而成。一个熔模有几部分组成,它包括模穴、注入、熔接剂等。模穴的形状、尺寸以及熔化金属的流向等均经过严密的设计制造而成,接头不仅外观精美而且能保证质量。配合模具的使用还附带成套的辅助工具,如点火枪、清模铲、铁刷、夹子等。
  放热熔接的熔接形式多种多样,不同外观形状的焊材、不同要求的连接形式有几十种之多,都可以根据工程的实际需要制作特定型号的模具来实现,其最大的优点是该类型模具易加工,偶尔工程中出现的新型连接形式可以在一两天内完成设计、加工。
  线型焊材连接形式
  南京扬巴乙烯装置也采用了TBG系列免维护接地装置,具体设计为φ16×3m铜包钢的接地极、70mm2和25mm2的铜绞线为接地线路。接地线路的地下部分一律采用放热熔接(CADWELD)工艺进行连接,接头形式以T型(WT)、直型(WE)为主。现结合扬巴乙烯装置施工现场的实际情况逐步论述放热熔接(CADWELD)工艺在工程中的应用及注意事项。
  放热熔接(CADWELD)工艺在工程施工过程中的应用主要分为以下四个步骤:
  一、采购环节
  采购前必须认真审阅施工图纸,落实清楚该装置所要采购专用工具、配套工具、熔接材料的基本技术要求。需要向专业生产厂家提供主材的规格型号如70mm2和25mm2的铜绞线以及施工现场需要的接地连接形式(T型或者直型)和各种连接形式接头的数量。向生产厂家索取该系列接地系统的设计选型手册、放热熔接(CADWELD)安装和检查指导手册,对放热熔接工艺特点进行系统地了解,有条件的情况下,可以通过采购部门请生产厂家派技术人员在现场施工时进行现场操作技术指导,以保证施工的顺利进行和焊接产品的质量水平。
  供货验收时有两点问题特别重要,一是生产厂家提供的配套工具数量、规格型号是否符合现场施工要求,认真检查易损、易耗工具如点火枪、石墨模具的性能是否完好,数量是否能满足现场大量施工的需求;二是熔接剂、引火粉是否按照现场设计的接头形式已经进行了定量、分包装,要求生产厂家提供不同标号熔接剂所适用的接地线接头形式清单,才可以有效控制施工人员实际操作时的熔接剂用量和操作步骤准确无误,同时还避免了原材料的浪费。
  专用工具、熔接材料进入现场后,保管过程中的重点问题是防潮。接地主材、专用工具可以在施工过程中烘干处理,熔接剂、引火粉就必须保证它们始终保持干燥,一定要放置在干燥、通风的库房中,有条件时可保存在安装了除湿机的电焊条库中,并需要定期检查。
  二、实验
  正式施工前的试验工作有多方面的意义。不但可以验证专用工具、熔接材料的实际质量情况,还能够作为现场施工人员的一次技能培训,对熔接剂的物理、化学性能提高认识,熟练掌握专用操作要领和放热熔接工艺实施过程中的注意事项,并对熔接剂的剂量大小进行确认。
  在扬巴乙烯装置所购熔接材料的试验样品被S&W称之为“杰作”,充分认可了原材料的质量和施工人员的焊接技能。但在试验操作过程中,还是出现了几个值得注意的问题。
  一、生产厂家将熔接劑与引火粉混装在一个盒子里,由于运输中的颠簸,分层包装的熔接剂与引火粉提前混合,当将药粉倒入熔模中时,引火粉分布不均,无法控制其位置,尤其是在熔接剂的上表层和熔模的模唇位置药量太小,熔接剂不易引燃。经过与生产厂家讨论,处理的办法是生产厂家将每个接头的每种药粉分装,为现场施工增加可操作性;
  二、熔接剂的剂量不够准确,剂量偏大时焊接产品“冒口”太高(质量上是容许的),如果是上下开合型模具,模具经常被卡在焊材上不能取下,剂量偏小时,焊接不饱满,达不到焊接质量要求。针对这个问题与生产厂家讨论制定了三种处理方法:
  ①精确计算熔接剂的剂量——由于焊材接头位置有很大的随机性,线缆的松散程度和夹入模具的长度均会影响熔接剂的数量,生产厂家提出很难作到。必要时采用这种方法;
  ②当模具卡在焊材上时可以用气焊把加热将模具取下——这个方法可以操作,但会几倍地浪费时间、浪费人力,不但容易损坏模具,还经常造成接地连接头外观粗糙,甚至次品,作为现场施工不可取。必要时采用这种方法;   ③将上下开合型模具全部更换为左右开合型模具——左右开合型模具没有环型放液孔,无论熔接剂的剂量超出多少,即使冒口高出放液孔到坩埚中,模具均可轻松开启,且不会与焊材粘连;生产厂家和现场施工人员全部同意优先选用这个处理办法,将到货专用工具中所有上下开合型模具全部更换为左右开合型,并保证熔接剂的剂量充足。
  三、最初焊接出的接头样品出现汽孔缺陷。经过和生产厂家技术人员讨论,确定出现汽孔的原因是熔接剂受潮。追溯熔接剂的保管过程,有两个地方被忽视:熔接剂包装不严密,虽然采用了塑料盒包装,但盒盖未进行进一步密封处理,可以透气。其次南京地区连阴多雨,空气湿度大,特别是在梅雨季节,无法保证熔接剂的保存环境湿度满足要求。经多方出谋画策,最后生产厂家选择透明胶带将每个包装盒的盖子密封,防止湿气进入,解决了特殊环境下保管过程中的受潮问题。同时将熔接剂存入焊材库房,控制环境湿度。已受潮的熔接剂在现场无法处理,全部退回生产厂家重新做烘干等处理。
  三、应用
  放热熔接(CADWELD)工艺在施工现场的正式实施是施工中的控制重点,操作步骤的正确与否,直接影响工程的建设质量,每个步骤、每个要点施工人员都必须一丝不苟的、持久地履行。
  第一步,清理模具,并把模具中的水分烘干,然后按不同规格夹好。
  工作前认真清理模具,去除模具内侧所有的污迹和渣滓,可以避免焊接成型的接头出现“麻面”现象;模具应充分干燥,可以使用喷灯、热风机烘烤,避免残留的水分造成焊接接头出现“汽孔”现象,在施工现场连续操作的同一模具可借助放热熔接后残留的热量保持其干燥,但必须时时进行检查;不同形式的接地线接头选用固定形式的模具,尤其是模具的孔径要与焊材的外径紧密配合,焊材也必须和模具一样进行清理,去除焊接位置的污染物和水滓;按焊材的对接形式摆好位置,将模具的左右两部分对齐、夹紧,不能留有余孔和偏缝,防止高温金属液“吐”出模具。
  第二部,放上金属隔离片,然后到入响应的焊剂上面均匀洒上引火粉,并在模具的豁口处洒上少于。
  模具、焊材夹紧后,整体水平直立放置稳妥,将特制的金属隔离片放在模具上部坩埚的底部,隔离片不得倾斜,必须将放液孔盖严,防止熔接剂下漏造成接头“夹渣”现象;熔接剂倒入坩埚后,将分包的引火粉均匀地撒在熔接剂的表面,并接续到模具的豁口处(模唇)。注意不能将熔接剂和引火粉调和,引火粉数量较少,调和后的熔接剂和引火粉不易点燃。加入熔接剂和引火粉后的模具不能震动或倾斜,防止金属隔离片偏移造成漏粉。
  第三步,用点火枪对准模盖点燃,注意模盖开口处不要对人和其他一些易燃物品。
  撒完引火粉后,轻轻将模具盖盖好,注意模盖开口处(模唇)不得对着自己和他人,也不能对着其它易燃物品。使用生产厂家配套供应的点火枪点燃模唇处的引火粉,点燃时点火者必须站在点火点的侧面并配戴防护手套和防护眼镜,防护眼镜要选用深色,防止弧光和浓烈的烟尘伤害眼睛。点火前最好在模盖上压一个石块之类的重物,防止过激的燃烧冲开模盖而损失熔接剂或伤害人员。如果点火枪火石不足或者机械故障造成无法正常点火,点火方式也可选择在模唇夹一个纸条,在纸条上也撒一点儿引火粉,然后用打火机点燃纸条,注意使用的纸条不能太短,并于内部引火粉接触良好,防止火花喷出烫伤手臂。点火过程中不能移动模具、焊材,尤其不得在模具中窜动焊材,防止脱焊、倾倒而造成次品或人员伤害。
  第四步,隔离秒后打开模具,即完成一次成型焊接然后清理模具准备下一次焊接。
  等模具内的熔接剂燃烧完毕(熔接剂加引火粉后只有遇到明火才可以点燃,燃烧过程并不十分激烈,属于非易燃易爆品),隔数秒后打开模具盖,首先清理一下坩埚内的焊渣,然后打开模具夹,将两片模具分开,目测核查接地线接头的焊接质量是否符合质量要求。用清模铲和干燥抹布将模具内侧清理干净,不能留下污迹和渣滓。如果需要连续使用,尽量在模具热干燥状态下进行。在开启模具期间戴好防护手套和防护眼睛,作好安全防护,小心烫伤。
  除按上述步骤和注意事项严格操作外,还应注意以下两点:
  a、放热熔接工艺所使用的模具为石墨制品,质地松软,易磨损。金属绞线或铜包钢焊材经多次夹拆,设计孔洞会逐渐扩大,当夹线孔扩大到开始“吐液”的时候,必须更换模具,否则焊接完的成品夹渣、缺肉,甚至虚接,不能达到质量要求。石墨制成的模具平均制作50个接头就需要更换。所以每种规格型号的模具在定货期间也要充分考虑这个问题,除计算所需模具的数量,还可选购夹线孔增加了“抗磨板”的产品,能够大幅提高模具的使用频率。
  b、阴雨天或附近地面十分湿滑的情况下,不宜进行放热熔接施工,如果施工进度要求,进行操作时必须作好防雨、防潮措施。特别注意的位置是焊材的接头部位,铜绞线经过泥水后只靠表面的擦拭不能满足焊接要求,要彻底去除焊材表面和芯线中间的泥水,并充分的干燥。侥幸心理只会给焊接质量带来隐患甚至次品。
  四、检验
  放热熔接(CADWELD)的质量检查有两种方式,一种是在试验期间将焊接成型的接头用工具剖开,可以非常直观的检查接头的熔合程度,内部是否有汽孔、夹渣等缺陷。
  放热熔接(CADWELD)的正常检查依靠现场人员的判断,密切注视大小、颜色、表面光滑度和接头的汽泡度。
  Ⅰ、大小
  a、限制在焊接之内的导线没有大块的暴露
  b、水平连接的冒口的最大降低(在渣被清除后)不應低于导线的顶端。
  低的焊接头表明
  ①没有使用充足的焊药;
  ②金属液的过多泄露;
  ③模具内部导线的不适当定位;
  ④导线的移动。
  过高焊接头(高冒口)表明
  ①使用了太多的焊药(连接仍然是容许的);
  ②由于导线或模具含有污染物使体积增加(见“汽泡度”)。
  Ⅱ、颜色
  在用轻型钢丝刷刷过后,放热溶接的接头颜色很好看。正常来说应该是金黄色至青铜色,偶而顶端也成银白色,银白色标明表面上有“锡珠”,是一种正常情况。
  Ⅲ、表面光滑度
  放热熔接的接头表面应该相当平滑,没有大块的渣滓存在。如果接头表面覆盖20%的渣滓,或渣滓被除掉后有任何电缆线股的暴露,那么这个接头必须报废。
  Ⅳ、汽泡度
  接头应从本质上没有汽泡,过度的汽泡一般来说是该导体或模具含污染物(水、油、尘土等)的结果。一些非常小的小孔可能出现在冒口的表面,孔的深度一定不要延伸出导线的中心之外。如果孔的深度超越了导线的中心,则报废这个接头。
  通过全面的学习、实践、改进,扬巴乙烯装置施工的放热熔接(CADWELD)操作,一次合格率超过了90%,创出了放热熔接工艺施工的一个新记录,超出了供货厂家的预计效果,得到该现场YPEC、S&W的赞誉。
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