某变电站构支架的焊接工艺

刘松善，王志红，赵进忠，钟品祥，陈 盟

（1.国家电网有限公司 技术学院分公司，山东 济南 250000；2.中国电建集团核电工程有限公司，山东 济南 250000；3.青岛东方铁塔股份有限公司，山东 青岛 266300）

1 工程概述

国家电网有限公司某变电站工程中一支架构件材质为Q235B钢管，规格φ203 mm×6 mm，长度1 000 mm，设计要求在钢管中心开设8～10 mm的沟槽，用紫铜进行填充焊接，以实现预防涡流现象和特殊性能的目的，如图1所示。该构件要求焊后焊缝进行X射线检测并达到二级焊缝质量要求。

2 焊接性分析

变电站构支架接头的焊接属于钢与紫铜的异种金属焊接，二者物理性能如表1所示，差异较大，因此焊接难度较大[1-3]。

表1 金属物理性能指标Table 1 Physical properties of metals

2.1 热裂倾向大

（1）紫铜的膨胀系数比钢大50%以上，所以在由液态转变到固态时以及从高温冷却至室温过程中，其收缩率远大于钢，因此紫铜与钢焊接时会产生很大的焊接应力。

（2）在高温特别是接近熔点时，紫铜的氧化性很强，容易生成氧化亚铜（Cu2O），焊缝金属结晶时，Cu2O与Cu形成低熔点共晶分布在铜的晶界上，同时紫铜中存在不溶于铜的低熔点金属杂质，如Bi、Pb、Sn 等，在晶界上形成偏析。

（3）由于铜在液态时容易溶解大量氢，凝固时过饱和的氢向热影响区扩散。

综上所述，钢与紫铜焊接时极易产生热裂纹。

2.2 易产生气孔

铜在液态时能溶解大量氢，但在凝固和冷却过程中其溶解度会大大减少，而铜的导热性好，熔池冷却速度较快，过剩的氢来不及逸出，便在焊缝和熔合区产生气孔。

从上述分析可知，紫铜的焊接性不良，钢与铜的焊接难度较大。

3 焊接工艺方案[4-5]

3.1 焊接方法选择

根据焊接接头特点、结构要求选用手工钨极氩弧焊工艺。

3.2 焊接设备选用

焊接设备采用直流逆变氩弧焊机，ZX7-400STG，焊枪采用500A水冷焊枪。

3.3 焊接材料选用

（1）焊接材料采用紫铜氩弧焊焊丝，型号HS201，直径φ3 mm。（2）采用铈钨极，型号WCe-20，直径φ3 mm。（3）焊接垫板采用与母材同等材质的紫铜，规格20 mm×6 mm。

3.4 焊接参数选择

焊接参数如表2所示。

表2 焊接参数Table 2 Welding parameters

4 焊前准备

（1）钢管沟槽制备。采用数控等离子切割在钢管上加工宽8～10 mm的沟槽加工，切割时在沟槽两端和中间预留约10 mm拉筋，即预留3段不完全割开，使沟槽形成“日”字形，以减少钢管开槽后向外或向内收缩形成喇叭口或锥形沟槽。

（2）衬垫组装。在沟槽下面垫上6 mm×20 mm紫铜板，垫板要长于钢管约40 mm，每端长出20 mm，便于焊接引弧和熄弧；用氩弧焊定位焊后，割除沟槽原来未割透的10 mm母材，打磨干净紫铜板焊接表面，如图1所示。

图1 构件沟槽组装形式Fig.1 Component groove assembly form

（3）施焊前将待焊处切割面和两侧30 mm区域内进行清理，清除焊缝及焊丝表面的氧化物、油污等杂物至露出金属光泽。

（4）因为构件厚度薄且室内温度较高，因此不采取焊前预热工艺。

5 焊接操作

（1）焊接时采取左焊法（从右向左施焊），电弧引燃后先不送丝，用电弧在端部预热5～10 s后，方可送丝焊接。

（2）焊丝采用连续送丝的方式送丝，降低焊接过程中氧化的几率。

（3）第一层焊接完毕后用钢丝刷清理焊缝表面氧化物后，即可进行第二层焊道的焊接，减少冷脆几率。

（4）焊接过程中要确保焊丝和熔池均处于氩气的保护中，焊接完毕或中途断弧时，焊枪不要立即移开，应让保护气体停留3～5 s后再移开焊枪，确保焊接接头能够得到保护。

（5）焊接完毕后采用保温棉覆盖，以减慢冷却速度，减少焊接裂纹的产生。

6 结论

按上述焊接工艺进行焊接，完毕后经检测完全合格，符合设计要求，这说明制定的焊接方案和工艺是正确可行的。要解决变电站构支架焊接时出现的裂纹和气孔等问题，主要从以下方面着手：

（1）合适的焊接热输入量，过大或过小都易产生裂纹。

（2）加强焊缝及两侧及焊丝的清理，要露出金属光泽，防止氢进入熔池，以控制裂纹和气孔的产生。

（3）加强氩气的保护效果，防止空气侵入；氩气的流量不能过小或过大；氩气纯度应大于99.99%。

（4）焊缝焊完后应缓冷。