高炉粉尘烧嘴外套焊接修复

赵辉 杨琦栋 刘克毅 董晓红

摘 要：通过高炉粉尘烧嘴材料TU1的导热性、热裂纹、气孔、力学性能等焊接性分析，从焊接方法、焊接材料、坡口设计、组对、焊后热处理、焊接检验等方面设计焊接工艺，并对高炉粉尘烧嘴实施修复。

关键词：TU1;焊接性分析;焊接工艺设计

0    引言

高炉粉尘烧嘴是喷煤系统的重要组成部件，其为双通道结构，中心是氧气通道，煤粉经环道入炉（图1）。使用过程中喷嘴外套发生烧损，造成高炉粉尘烧嘴失效。考虑到修复的时效性，本次修复工作采取焊接方法进行。烧嘴外套的材料为TU1，外形尺寸为?320×25。因烧嘴外套烧损部分无法局部修复，故将烧嘴外套截去60 mm，另外焊补60 mm的烧嘴外套。

1    焊接性分析

1.1    导热性

母材TU1为无氧銅，纯度达到99.97%，熔点为1 083 ℃。TU1导热率高，常温下TU1的导热系数比碳钢约大7倍，随着温度的升高导热率是钢的11倍[1]。焊接时焊接区域向非焊接区域快速散热，TU1整体温度上升，却很难达到熔融温度，导致焊接过程中出现未熔合的成型缺欠。从解决未熔合问题入手，应对被焊工件整体预热，提高母材初始温度，选取焊接线能量大的工艺参数，尤其是焊接电流值，避免未熔合的产生。

1.2    热裂纹

铜及铜合金焊接时，易形成α+Cu2O低熔点共晶（熔点为1 064 ℃），铅与铜会生成熔点约326 ℃的低熔点共晶体[1]。采用大线能量的焊接工艺参数焊接时，会使焊接接头中晶粒严重粗化，各种低熔点共晶物聚集晶界。另一方面，铜及铜合金膨胀系数大，造成焊接时热应力大，在热应力和低熔点共晶体作用下容易形成热裂纹。考虑通过降低晶粒的尺寸，避免低熔点共晶物的聚集，从而抑制热裂纹的产生[2]。

1.3    气孔

纯铜焊接时，由于氢的溶解度在液固相之间急剧变化，造成氢来不及析出，形成氢气孔。防止氢气孔的最佳措施就是焊前清理，将焊接区域的油污清除干净，并对焊材进行烘干，以减少氢的来源。铜及铜合金焊接中的CO2气孔，是由于预热时铜产生氧化，使氧进入了焊接区域，为避免产生CO2气孔，焊接冶金过程中应进行脱氧。

1.4    力学性能

由于高炉粉尘烧嘴主要承担自身重量的静载荷，焊补完成后保持原有设计结构，故焊接修复后结构力学性能可达到设计要求。

2    焊接工艺设计及实施

2.1    焊接方法选取

依据修复件的情况，结合本单位实际生产条件，选取钨极氩弧焊（TIG）作为修复焊接方法。根据前文分析，应采用大线能量的焊接工艺参数，而钨极氩弧焊焊接时采用大线能量焊接易造成钨极烧损，所以采用水冷式焊枪焊接，焊接电流选取范围在110～200 A[3]。

2.2    预热温度确定

预热温度的确定一方面考虑防止未熔合，另一方面考虑预热温度过高会造成晶粒粗大，带来力学性能的降低，最终确定550 ℃。在坡口两侧50 mm范围采用电阻丝进行预热，并用石棉包裹，防止温度降低（图2）。

2.3    焊接材料

由于预热时局部温度高，火焰选择不到位易使焊接区域形成氧化物，预热时将焊剂QJ301布撒于焊接区域，焊接时QJ301还原Cu2O形成易熔的液体熔渣形成机械保护层，可以防止焊缝金属氧化[3]。

选取焊丝HS201，焊丝HS201中加入少量脱氧元素Mn，参与焊接冶金过程，可以进一步实现焊缝的脱氧。

考虑焊缝位置的可达性以及气体保护效果，采用喷嘴直径为16 mm的收敛性焊枪。根据焊接电流的大小选取?3.2 mm的铈钨极，氩气流量为15～20 L/min[4]。

2.4    坡口设计

为保证焊接位置的可达性，采用90°的坡口角度，由于母材热膨胀系数大，间隙为5 mm，为避免未熔合的形成，钝边不宜过大，选取1 mm为宜（图3）。

2.5    组对

焊件厚度大，焊接过程热应力大，所以定位焊数量及长度均应增加。我们选择3个定位焊位置，分布在烧嘴钟表位4点、1点、7点处，定位焊定位长度为3 mm，从10点位置起焊[5]。

2.6    焊接

各层均为转动焊接，打底层焊接时管内充氩保护。焊接位置在钟表位10点到11点半，另一焊枪在1点到12点预热，向上转动焊接（焊接工艺参数如表1所示）。焊接完成后焊缝外观质量良好（图4）。

2.7    焊后处理

被焊接头的焊接区域重新加热到600～700 ℃，为了使晶粒尺寸减小，提高焊接接头的机械性能，采用浇水急冷，使焊接区域塑性增加。

2.8    焊后检验

用5～10倍放大镜检查焊缝表面无气孔、裂纹、夹渣等焊接成型缺陷;经射线探伤检验，焊缝内部无气孔、未熔合、夹渣等缺陷，焊缝质量等级为Ⅱ级。

3    结语

通过对高炉烧嘴母材焊接性的分析，结合企业现有技术条件，确定焊接修复方案，并对高炉粉尘烧嘴进行修复，经过半年使用，效果良好。

[参考文献]

[1] 闫久春，崔西会，李庆芬，等.预热对紫铜厚板TIG焊接工艺性的影响[J].焊接，2005（9）：59-61.

[2] 王晓冬，刘月辉.紫铜母线焊接工艺方法的研究[J].黑龙江科技信息，2010（16）：38.

[3] 邓子刚.紫铜管的氩弧焊焊接工艺[J].河北电力技术，1994（1）：51-53.

[4] 申有才.大截面紫铜母线钨极氩弧焊焊接工艺[J].化工建设工程，2001，23（4）：25-26.

[5] 武广昭.大截面紫铜母线的焊接工艺与组装[J].热加工工艺，2007，36（23）：91-92.

收稿日期：2020-03-31

作者简介：赵辉（1973—），男，甘肃平凉人，讲师，研究方向：焊接工艺、焊接再制造。