鋁母線焊接技術分析

安林超

（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

在火力發電廠中，鋁母線是常用的電氣設施，例如在660MW火力發電機組中使用的220kV配電設備中采用的材質為E-AlMgSi0.5的封閉鋁母線進行焊接［1］。鋁母線是否焊接完好與機組和電網運行安全穩定性密切相關。鋁母線焊接一般需要按照DL/T751-2001《鋁母線焊接技術規程》、GBJ149-1990《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規范》和《焊接工藝評定規程》以及《焊工技術考核規程》中對技術的要求，對鋁母線焊接工作進行試驗，使其能夠達到安裝標準。

1 鋁母線材質

管形鋁母線材質為E-AlMgSi0.5，采用德國DIN 1712標準，160×6mm，接口是單V坡口，不使用襯管；封閉鋁母線也采用E-AlMgSi0.5，規格分別是900×15mm和1150×8mm，接口焊接形式是加抱箍。管形鋁母線采用S-AlSi5直焊絲通過交流鎢極脈沖氫弧焊的形式焊接；封閉鋁母線則選擇半自動熔化極氬弧焊（MIG）進行焊接。不同的焊接方法取決于鋁合金的膨脹特點以及凝固時的體積收縮情況，為了保證焊接質量能夠達到標準，焊接前和焊接時都要對形成的氧化膜進行清除，使金屬得以保護。

2 焊接工藝

2.1 交流鎢極脈沖氬弧焊

（1）工藝特點。管形鋁母線焊口焊接時加襯管質量較好。由于鋁和鋁合金在高溫環境中強度小，具有液態流動的優勢，需要襯管拖住避免金屬下陷，使焊接能夠達到單面焊雙面成形的效果。此外，氬氣對根部焊道無保護作用，使其發生高溫氧化反應，大量的氫氣會升高熔池中焊縫w（H2）的溫度，通過充氬可以防止根部發生氧化反應，避免在焊接的過程中出現氣孔［2］。

焊絲型號決定了焊接工藝。Φ3.2mm的S-AlSi5直焊絲只能通過手工氬弧焊完成。交流鎢極脈沖氬弧焊能夠靈活調整脈沖頻率、脈寬比、脈沖電流以及基值電流，能夠優化小電流焊接時電弧的穩定性，工藝參數的可控度更高，從而促進焊縫成形。此外，交流鎢極脈沖氬弧焊熱輸入量相對更低，焊縫不易變形，接頭質量更優。一般建議使用有交流脈沖功能的OTC公司生產的AVP-300型號焊接設備完成焊接［3］。

（2）焊接方法。焊接前需要采用化學試劑或者用鋼絲輪或刮刀等機械方式將母材料焊口附近30～50mm和焊絲表面的氧化膜、油污以及雜質去除，清理后立即焊接，最長不要超過24h；此外，還要在焊接現場搭防風棚，避免氣孔缺陷。將充氬設備放置在管內焊口，通過預熱能夠減緩焊縫的冷卻速度，使氫氣緩慢逸出，防止在焊接過程中出現氣孔，預熱溫度為150～200℃，在距離對口中心80mm以外部分用火焰加熱；預熱后將氬氣沖入管內，并組好焊口背部的保護；通過多層次單道焊接，先進行小電流滾動焊接，焊接電壓為27～29V，基值電流為40～55A，脈沖電流為150～180A，脈沖頻率為1～2Hz，脈寬比為40%，氬氣流量保持在噴嘴8～10L·mm-1，背部氬氣流量為 10～15L·mm-1；滾動過程中使熔池位于水平狀態，減少焊絲的熔化量，避免由于熔化過多產生熱裂。焊接后用鋼絲刷將焊道清理干凈。接下來進行第二層的全位置焊接，預熱溫度為150～200℃，基值電流為 50～75A，脈沖電流為 150～180A，脈沖頻率為1～2Hz，脈寬比為40%，氬氣流量保持在噴嘴8～10L·mm-1，背部氬氣流量為 10～15L·mm-1。

2.2 半自動熔化極氬弧焊（MIG）

（1）工藝特點。半自動熔化極氬弧焊（MIG）使用的焊接設備為ESABLAW520，該設備具有直流反接功能。因為鋁和鋁合金材料的導熱性好、熱容量大，同時也具有較快的熱損失，在焊接的過程中更具有熱量集中性。在焊接過程中，焊接電弧形成的沖擊力可以將氧化鋁薄膜擊破，能夠提高焊縫的熔合性，避免由于氧化反應出現夾渣現象。半自動熔化極氬弧焊選用的焊絲為規格Φ1.2mm的ESABOK Autrod 4043鋁硅焊絲，性能和絲311相似。在焊接過程中能發揮抗裂性的優勢，應用范圍較廣。該焊絲需要純度達到99.99%以上的氬進行保護，焊絲化學成分分析及力學特性，詳見表1和表2。

表1 焊材化學成分分析（%）

表2 焊絲力學特性

（2）焊接方法。人工焊接需要在引弧板上實施，引弧操作時要將電流增加至正式焊接的2倍。為了能夠在焊接過程中掌握熔池和預定軌跡狀態，一般采用左焊法便于查看。焊槍和工件之間的夾角保持在70°～80°，噴嘴下端距工件不低于8mm，不高于22mm，焊絲伸出長度最佳應為噴嘴內徑的1/2。焊接過程中熟練操作，靈活選擇不同的焊接方法以及參數，使其能夠滿足焊接質量的要求。如果是橫焊，需要將焊槍方向調升；如果采用立焊，則要運用“爬坡焊”的方法操作，進行“八字步”或“月牙形”擺動來阻止鋁液下落；在仰焊過程中要采用低電弧，低電流，縮小熔池體積，通過短路過渡來加快電弧的移動速度，從而達到熔池快速冷卻凝固的目的。如果鋁板材厚度超過10mm，要采用多道焊接，打底和蓋面焊接依次進行。每道工序之后都要對焊道表面進行清理，熔敷焊道寬淺為宜，通過焊槍擺動使其成形，防止氣孔形成。在高溫的影響下，熄弧時弧坑內熔池凝固與收縮速度較快，會使弧坑出現裂縫，因此要借助于熄弧板。此外，導體和外殼焊縫截面大小要大于或等于被焊接金屬截面的1.25倍。焊縫質量標準為無裂紋、無燒穿、無焊坑以及無焊瘤，未焊透長度在焊縫長度的10%以內，深度在被焊金屬厚度的5%以內。尤其在共箱封閉母線外殼兩端的端板和中間隔板處，距封閉母線90°拐角和T型節要采用非熔化極惰性氣體保護電弧焊或蓋面焊接，無氣孔以及焊道下陷，焊透且外觀良好。焊縫檢驗經超聲波或著色探傷確定是否合格。瓷瓶鋁座焊接過程中要使鋁座中心線夾角水平90°，垂直 120°，采用兩面焊接法［4］。焊接升高座以及波紋管連接法蘭襯圈的過程中，焊接面縱焊縫的雙面焊接長度要在120mm以上，修磨平整的外面焊道長度在80mm以上，才能保證現場安裝橡膠波紋管的密封性良好。在電廠焊接的短路板需要整修外殼和短路板的間隙，標準為2mm上下，達標后才能進入接下來的工序。

3 焊接技術試驗

按照焊接技術的要求，選取鋁母線設備管材進行測試，試驗試件3個尺寸分別是200mm、30mm及7mm，焊接試驗均證明參數的合規性。試驗后的數據如表3，4，5 所示。

表3 焊接頭直流電阻試驗數據（μΩ）

表4 焊接頭抗拉力強度數據（MPa）

表5 焊接頭無損探傷數據

4 效果評定

通過運用上面所述鋁母線焊接技術，在某660MW火力發電廠500kV配電裝置、220kV配電裝置均成功焊接。其中有 82個 Φ200mm×10mm/Φ180mmΦ130 mm×7mm/Φ116/LDReT6焊口達到質檢驗收標準。一次性射線探傷合格率達到99.27%，質量評級綜合達到優良。

5 結語

綜上所述，鋁母線焊接在火力發電廠電氣設備安裝過程中是必不可少的關鍵環節。隨著電壓和電流的不斷增大，焊縫內外質量的評定標準不斷升高，只有在安裝焊接過程中熟悉鋁母線材料的特點以及焊接中需要注意的事項，通過技術測試的輔助以及操作流程的管控，才能夠達到高參數機組對鋁母線焊接質量的要求，確保設備的安全穩定運行。