東西關(guān)水電站銅母線焊接工藝

孟 俊 永

(中國水利水電第五工程局有限公司 機電制造安裝分局，四川 成都 610225)

1 概 述

四川華能東西關(guān)水電站位于四川省廣安市武勝縣禮安鎮(zhèn)，目前運行的機組由重慶水輪機廠設(shè)計制造。由于目前運行的機組存在諸多安全隱患，同時為了充分利用水力資源，提高東西關(guān)水電站的經(jīng)濟效益，四川華能東西關(guān)水電股份有限公司對東西關(guān)水電站4臺(套)額定功率為45 MW的水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備實施了技術(shù)改造，技術(shù)改造后的水輪發(fā)電機組額定功率為52.5 MW，全站裝機容量由180 MW升至210 MW，同時完成了調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機出口母線、計算機監(jiān)控系統(tǒng)等的相關(guān)改造工作，技術(shù)改造工程由中國水利水電第五工程局有限公司承擔(dān)。

東西關(guān)水電站機組增容后，由于原主變低壓側(cè)母線為鋁母線，無法滿足增容后的承載量要求，技改方案為將舊雙槽鋁母線全部拆除，更換為雙槽銅母線。由于設(shè)計、生產(chǎn)及運輸原因，單根銅槽母線長度為4～6 m，銅母線段間的連接除部分采取軟連接方式外，多數(shù)采取焊接方式。銅母線的焊接在水電工程建設(shè)中并不多見，而且銅母線的焊接要求高、難度大，造價高，投入成本大。但是，由于銅母線具有較好的導(dǎo)電性且受電站原母線廊道等現(xiàn)有條件的限制，東西關(guān)水電站的母線選用了銅材料。東西關(guān)水電站發(fā)電機出口至主變使用雙槽型銅母線連接，銅母線材質(zhì)為紫銅，規(guī)格為[220 mm×90 mm×10 mm，長度約800 m，主焊縫220條，母線上下加焊銅連接板，約1 400塊；發(fā)電機出口銅母線為矩形母線，規(guī)格為-120 mm×10mm，數(shù)量約800 m，接頭處采用焊接方式。

銅母線在水電站中的使用較為少見，而使用焊接方式連接的銅母線則更為少見，我公司之前尚未有實施類似項目的先例。東西關(guān)水電站銅母線焊接工藝最初由母線制造廠引進(jìn)，并經(jīng)項目技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行了優(yōu)化，適合現(xiàn)場條件相對簡易情況下的操作和實施，并順利完成了東西關(guān)水電站銅母線的焊接施工任務(wù)。筆者就東西關(guān)水電站銅母線的焊接進(jìn)行了介紹。

2 銅的焊接特點及焊接方法的選擇

要進(jìn)行銅母線的焊接加工，首先要了解銅材的焊接特點及一般的焊接方法。

2.1 銅的焊接特點

從相關(guān)技術(shù)資料可知，銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性和加工成型性。而進(jìn)行的銅焊接具有以下特點：

(1)高的熱導(dǎo)率。

常溫下純銅的熱導(dǎo)率比碳鋼大8倍，將純銅焊件局部加熱到熔化溫度需要大量的熱量，因此，在焊接時需要采用能量集中的熱源，否則熱量將被很快散失，純銅焊接時應(yīng)對焊件進(jìn)行預(yù)熱。

(2)高的熱裂紋敏感性。

各種銅母材總含有一定量的雜質(zhì)而形成低熔共晶，焊件在凝固狀態(tài)或熱影響區(qū)存在低熔共晶薄膜，其可在焊接應(yīng)力作用下引起裂紋。

(3)接頭性能惡化傾向。

銅在焊接時，或多或少地會發(fā)生氧化和燒損現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生各種焊接缺陷, 可能會導(dǎo)致焊接接頭強度塑性、耐蝕性及導(dǎo)電性能的降低，銅在熔焊過程中，焊縫和熱影響區(qū)的晶粒嚴(yán)重長大，將在一定程度上影響到接頭的力學(xué)性能。為改善接頭的性能，除盡量減弱熱作用外，還應(yīng)控制焊縫的雜質(zhì)含量，并通過合金化對焊縫金屬作變質(zhì)處理。

從以上銅材的焊接特點可知：銅焊接時需要高溫加溫并合理控制焊接部件的冷卻，在焊接過程中要盡量保障焊縫處的清潔。

2.2 銅母線的焊接方法選擇

銅最常用的焊接方法是釬焊、手工鎢極氬弧焊及熔化極氬弧焊。由于銅母線承擔(dān)著導(dǎo)通電流的作用，釬焊的焊接質(zhì)量難以保證，而且東西關(guān)水電站到貨母線的焊接方式也不適用釬焊焊接的方式；手工鎢極氬弧焊焊接從焊接質(zhì)量上是可以保證的，但通過試焊發(fā)現(xiàn)，使用該種焊接方式存在預(yù)熱溫度偏高(需預(yù)熱600 ℃左右，低于該溫度焊接時會存在焊接質(zhì)量較差或無法融合的情況，對加溫和保溫條件要求比較苛刻)、焊接效率低、熱輻射較大而導(dǎo)致焊接人員也無法連續(xù)作業(yè)等缺陷，故使用該焊接方式無法滿足現(xiàn)場大量的焊接任務(wù)，該種焊接方法最終也未被采用；最后在施工現(xiàn)場確定使用熔化極氣體保護焊的焊接方式。該方法是通過可熔化的焊絲與母材之間的電弧作為熱源來熔化焊絲與母材金屬，并向焊接區(qū)域輸送保護氣體，使電弧和熔化的焊絲以及熔池與附近的母材金屬免受周圍空氣的有害作用，連續(xù)送進(jìn)的焊絲金屬不斷熔化，與熔化的母材金屬融合形成焊縫金屬。通過試焊，預(yù)熱溫度達(dá)到450 ℃～500 ℃即可滿足焊接要求，而且采用該焊接方式焊接時焊接效率較手工鎢極氬弧焊焊接方式高3～4倍，可以較快地完成預(yù)熱區(qū)域的焊接； 焊接過程中產(chǎn)生的熱量也及時彌補了預(yù)熱區(qū)域熱量的損失，因此，不會發(fā)生焊接過程中由于熱量降低融合不好而中斷焊接的情況。

3 東西關(guān)水電站母線現(xiàn)場采用的焊接工藝

3.1 焊接設(shè)備的選擇

確定使用熔化極氬弧焊的焊接方式，現(xiàn)場選用奧太NB-630系列氣體保護焊機，最大焊接電流可達(dá)630 A，滿足銅焊接大電流的要求，并配置有送絲機、半自動焊槍等附件。

3.2 焊接材料的選擇

在選擇焊絲時，首先必須考慮母材金屬的牌號、板材厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及施工條件等因素，因此，在東西關(guān)水電站銅母線焊接時, 選擇了與母材金屬成份相近的填充焊絲。現(xiàn)場選用的為S201特制紫銅氬弧焊絲，該焊絲為含有少量硅錳磷等脫氧元素的特制紫銅焊絲，具有流動性好、焊接工藝性能優(yōu)良、焊縫成型美觀、機械性能高以及抗裂性好等優(yōu)點，適用于紫銅的熔極氬弧焊焊接(表1)。

表1 焊絲化學(xué)成分表/%

3.3 焊接工藝流程

焊接工藝流程見圖1。

圖1 焊接工藝流程圖

3.4 焊接操作方法

3.4.1 母材、焊材的檢驗

材料進(jìn)場時，必須附有材料質(zhì)檢證明書及合格證原件，同時進(jìn)行外觀檢查，并按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行抽樣檢驗。焊絲應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《銅及銅合金焊條》(GB3670-83)的規(guī)定。

3.4.2 模擬練習(xí)，確定焊接參數(shù)

為保證焊接質(zhì)量，在母線施焊前，進(jìn)行了模擬練習(xí)，確定焊絲、保護氣體流量、焊接電流、送絲速度等焊接參數(shù)并應(yīng)符合下列要求：

(1)試樣的焊接材料、接頭型式、焊接位置、工藝等應(yīng)與實際施工時相同。

(2)在其所焊試樣中，抽取一件按下列項目進(jìn)行檢驗，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)加倍取樣重復(fù)試驗，直到合格為止，確定各種最佳焊接參數(shù)。

①表面及斷口檢驗：焊縫表面有無氣孔、裂紋、咬邊等焊縫外觀缺陷；

②焊縫應(yīng)采用X光無損探傷，檢查發(fā)現(xiàn)有無夾渣、氣孔、未融合等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；

③電阻率測定：測量焊接試件的直流電阻，并根據(jù)長度、截面積換算電阻率，對于電阻率高于銅電阻率值110%的，可認(rèn)定為不合格。

從模擬練習(xí)試焊過程中我們發(fā)現(xiàn)，按照廠家到貨的對接焊縫V型坡口直接對接焊接，經(jīng)常會出現(xiàn)焊縫底部未融合的情況，很難實現(xiàn)“單面焊接，雙面成型”的效果，需要對焊縫未融合部分進(jìn)行清理、重新焊接才能消除該缺陷。而將坡口形式修改為X型，直接采用雙面焊接的方式，可以確保焊接質(zhì)量，但需對槽型母線的組焊流程進(jìn)行調(diào)整。

3.4.3 母線組焊

東西關(guān)水電站母線改造施工原設(shè)計方案是將單槽銅母線通過連接片組焊成雙槽銅母線后吊裝至母線支架后再進(jìn)行對接縫的焊接，見圖2。試焊發(fā)現(xiàn)，通過單面焊接無法完全保證焊接質(zhì)量，則組焊方式應(yīng)先進(jìn)行對接縫的焊接，再進(jìn)行連接片的焊接。

圖2 東西關(guān)水電站雙槽銅母線原組焊方案示意圖

按照原設(shè)計方案施工，對接焊縫處焊縫底部未融合的部分無法進(jìn)行缺陷清理。

圖3 東西關(guān)水電站雙槽銅母線修改后的組焊方案示意圖

修改后的雙槽銅母線組焊方式為先進(jìn)行對接焊縫的焊接，從而可以及時處理對接焊縫焊接過程中產(chǎn)生的缺陷，確保焊接質(zhì)量(圖3)。

修改后的雙槽銅母線組焊工序如下：

(1)對口、坡口處理。

為保證對口和焊接質(zhì)量，便于操作，地面焊接時應(yīng)搭設(shè)穩(wěn)固的平臺，將母線放在施工平臺上。將兩根對接的單槽母線對接檢查，如果局部縫寬度較大，應(yīng)對不規(guī)則的坡口進(jìn)行修磨，確保其拼裝對位后焊縫寬度基本一致；東西關(guān)水電站母線由生產(chǎn)廠家在廠內(nèi)已加工完坡口，坡口為單面V形，現(xiàn)場使用磨光機將坡口形式修改為X型坡口；清理坡口表面常有的氧化膜、水、油污等雜物(如不處理，在進(jìn)行焊接時焊縫會產(chǎn)生氣泡、夾渣，嚴(yán)重的會產(chǎn)生裂紋，因此，施焊前需給予清理)。

(2)焊前預(yù)熱。

由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱并保溫，以保證焊接處的溫度，施焊時才易形成熔池，從而保證母材與焊材熔合。 將預(yù)熱溫度控制在450 ℃～500 ℃之間，在坡口兩邊用石棉保溫被進(jìn)行包覆，每側(cè)覆蓋寬度不小于80 mm。 預(yù)熱方式采用乙炔-氧氣火焰，其中使用一把烤槍加溫焊縫區(qū)域正面，一把烤槍加溫焊縫區(qū)域背面。

(3)對接縫焊接。

焊接方式選用熔化極氬弧焊，焊接時先進(jìn)行槽內(nèi)側(cè)焊縫的焊接，焊接完成冷卻后，將對接后的單槽母線翻面，從槽外側(cè)使用磨光機進(jìn)行清根修磨，再進(jìn)行外側(cè)焊縫的焊接。

①設(shè)定焊接電流等參數(shù)(焊前應(yīng)在焊接試塊上整定好焊接電流等焊接參數(shù)，焊接電流為350～450 A)。

②為便于觀察熔池并填加焊絲，焊槍與工件夾角宜為75°～85°，焊絲與焊件間的夾角為10°～20°，操作時焊槍應(yīng)勻速、平穩(wěn)地向前作直線運動并保持恒定的電弧長度，弧長一般控制在2～4 mm，當(dāng)填充或蓋面時，焊絲應(yīng)做輕微橫向擺，在接頭填滿后，逐漸拉長電弧滅弧。

③由于每面的焊接高度約為8 mm，為保證焊接質(zhì)量，分兩層焊接，第一層焊縫焊接完成后，用鋼絲刷或拋光機進(jìn)行清理，清除焊縫處的濺渣后才能繼續(xù)加熱進(jìn)行第二層的焊接，第二層焊接完成后需確保焊縫高度滿足要求(高出平面3～4 mm)。

④槽內(nèi)側(cè)一面焊縫焊接完成后，待母線適當(dāng)冷卻后將母線進(jìn)行翻面，對焊縫根部進(jìn)行清根處理；清根作業(yè)時，應(yīng)將焊縫底部未融合區(qū)域或存在其他缺陷的部位徹底清理干凈，然后再進(jìn)行加熱、焊接工作。

⑤焊接結(jié)束后，應(yīng)清理焊縫表面的飛濺物等，并仔細(xì)檢查焊縫表面的成形質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷，應(yīng)及時清除、重新焊接至外觀合格。

(4)單槽銅母線的檢驗。

單槽銅母線對接焊縫焊接完成后進(jìn)行電阻率測量及X射線抽檢。由于單槽銅母線組成雙槽銅母線后對接縫處如果存在內(nèi)部缺陷將較難處理(無法進(jìn)行清根處理)，因此，在組成雙槽銅母線之前即應(yīng)對單槽銅母線的對接焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢查。

①焊縫外觀檢查：對接焊縫上的加強高度為3～4 mm，焊縫融合良好，呈圓弧過渡，表面光滑，沒有毛刺和凹凸不平之處，焊接接頭表面應(yīng)無肉眼可見的裂紋、凹陷、缺肉、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。

②電阻率測試：電阻率采用雙臂電橋測試法，測定結(jié)果應(yīng)與母材接近(不超過銅的電阻率值的110%)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

③內(nèi)部檢查：用X射線探傷檢驗，應(yīng)無明顯的未焊透、未融合、氣孔、咬邊等缺陷。

(5)組裝雙槽銅母線，焊接連接片。

將兩根已焊好的單槽銅母線進(jìn)行拼裝，使用固定母線用的工裝夾具，將兩根母線定位固定，按照圖紙尺寸安裝槽間連接片。連接片在安裝前應(yīng)對連接片、母材安裝焊接位置進(jìn)行打磨處理；焊接采用與對接焊縫類似的焊接方法。由于連接片主要起連接固定作用，不承載電流，因此，采用單面焊接即可，但焊前的清理、預(yù)熱等工序不能減少，否則無法熔焊。

3.4.4 雙槽銅母線的校正、清理

雙槽銅母線組焊完成后，清理連接片等焊接部位的飛濺雜物。由于母線經(jīng)過加溫、焊接等過程，局部可能存在彎曲等變形，應(yīng)采用錘擊等方式進(jìn)行校正。

3.4.5 雙槽銅母線的檢查與試驗

雙槽銅母線焊接完成、母線的組裝、焊接工作結(jié)束后，需進(jìn)行安裝前的尺寸等質(zhì)量檢查，并進(jìn)行電阻率的最終測量。雖然單槽母線焊接完成后已進(jìn)行過電阻率測量，但由于組拼雙槽銅母線的兩根單槽銅母線電阻率不完全相同，為獲得最終較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，需對雙槽銅母線進(jìn)行電阻率測量，測量標(biāo)準(zhǔn)與單槽銅母線電阻率測量標(biāo)準(zhǔn)一致。

4 結(jié) 語

在東西關(guān)水電站技術(shù)改造工程中，通過對銅母線焊接工藝的引進(jìn)、研究、改進(jìn)，既確保了焊接質(zhì)量，也使業(yè)主方主變停運的時間大大縮短。業(yè)主方原計劃20～25 d停機更換母線，而組焊方案修改后，把停機后實施的對接焊縫焊接工作前移至停機前完成，使停機時間大幅縮短。實際停機后10 d內(nèi)完成了舊母線拆除、新母線安裝等工作，直接為業(yè)主方創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益，得到了業(yè)主方、監(jiān)理方的高度認(rèn)可和評價，同時也培養(yǎng)了一批掌握銅焊接工作的技術(shù)人員，亦使我公司的焊接技術(shù)邁上了一個新的臺階。