變壓器箱體中紫銅與箱壁的焊接

商杰

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000）

圖1

紫銅為有色金屬，其最好的焊接方法應為氬弧焊。但實際生產中焊接量大，使用氬弧焊效率太低，成本較高，無法滿足實際生產的需要。為了保證效率及質量，最終采用了氣體保護焊，使用富氬氣體及銅焊絲進行焊接，后又改進為采用純氬氣保護，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，具有極好的導電性、導熱性、良好的常溫和低溫塑性，對大氣、海水和某些非氧化性酸、堿、鹽溶液及多種有機酸中，有良好的耐蝕性，因此在工業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

紫銅導熱系數大，20℃時比鐵大7倍多，1000℃時大11倍。如果采用的焊接規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，產生焊不透現象，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熱措施。銅的線脹系數比鐵大15%，而收縮率比鐵大一倍以上。再加上銅的導熱能力強，使焊接熱影響寬，焊接時如工件剛度不大，又無防止變形的措施，會產生較大的變形。

1.2 裂紋

銅焊接時，在焊縫及近縫區可能產生裂紋，其中最常見是熱裂紋，與兩個因素有關：一是焊縫中雜質和合金元素的影響，氧是銅中經常存在的雜質，對焊縫熱裂紋傾向影響很大；二是焊接過程中產生的應力。

2 鋼與紫銅的可焊性分析

Fe與Cu的原子半徑、點陣類型、晶格常數及外層電子數都比較接近，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，熔點及線膨脹系數差異大。在焊接過程中會產生較大的焊接應力，易產生裂紋。

（2）銅的導熱系數是鋼的7倍多，熔池的冷卻速度比鋼要快得多，氫的擴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）在焊縫或近縫區易產生熱裂紋，影響接頭的強度及氣密性。由于鋼與紫銅中含有—定量的雜質，如氧、硫、磷等。在焊接過程中，這些雜質元素易形成各種低熔點的共晶體和脆性化合物存于焊縫晶界處，嚴重削弱了金屬在高溫時的晶間結合力，是焊縫產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焊，并選擇了Φ1.2毫米的S201紫銅焊絲。

3.2 保護氣體及流量的選擇

在剛開始焊接時采用了20%CO2，80%氬氣的富氬氣體作為保護氣體。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，通過多次進行實驗，采用99.99%的純氬氣進行焊接。調整焊接參數，焊后焊縫成形質量有明顯提高，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，保護氣體的挺度不足，焊縫容易產生氣孔等缺陷；氣體流量過大，浪費氣體，而且氧化性增強。通常細絲焊接時，氣體流量在15～25L/min之間。

4 組合及焊接過程中的注意事項

4.1 焊前的組合及點焊

在組合，點焊前應對變壓器油箱的箱壁認真測量并核對圖紙尺寸，做好紫銅板的鋪焊規劃，充分利用板材大小，盡量減少接料和浪費。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。點焊時由于紫銅板線膨脹系數大，強度較低，點焊焊縫容易開裂。應盡量加大點焊的密度，使其點焊牢固，減少焊接過程中的變形。

4.2 焊接的工藝參數

采用短路過渡焊接，在電弧電壓與焊接電流相匹配時，飛濺少，成形良好的焊縫。

焊接電流過大，雖然可以提高生產效率，并使熔透深度增加，但易出現咬邊、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、熔深減小，易出現成型不良、未融合等缺陷。經過大量的試驗，在焊接紫銅板時應采用相對于碳鋼焊接更大的焊接規范：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 易產生的缺陷及其他注意事項

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行預熱，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，且易出現裂紋、氣孔、咬邊、等缺陷，焊后需仔細打磨，徹底修復缺陷使其干凈平整美觀。（如圖5）

圖5

4.4 焊接防護

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

圖6

5 結語

通過不斷實驗及優化焊接參數，改變保護氣體進一步改善了焊縫成形效果，減少了飛濺及裂紋、氣孔、未融合等缺陷的產生，明顯的提高了焊縫外觀質量及生產效率，并且有效的降低了勞動強度和成本，取得了較好效果。