一种超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法

1.本发明属于机械焊接领域，更具体地，涉及一种超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法。


背景技术：

2.无氧铜是指不含氧及脱氧剂残留物的铜，是优异的高导电率、高导热率和极低放射本底的材料，在电气、电子工业，航空航天工业，超导、真空、船舶、换热器等行业，以及物理前沿科学实验等领域，都有广泛或特殊的应用。
3.由于超厚和超大的无氧铜的工件，其厚度超过15mm，尺寸超过1m，所形成的焊缝的长度超过1m。因此在焊接过程中存在诸多问题，如焊接的厚度高，坡口大，填料多，焊接的操作难度大等。此时，通过单一原材料完成加工制造，要么成本太高，要么无法实现。目前对于常规厚度和小尺寸结构件，通常的焊接方法有熔焊、软钎焊、硬钎焊、无气保金属焊、气体保护金属焊接，以及氧燃料气焊等。但对于超厚和超大的无氧铜结构的焊接，还没有实际成功参考案例，也没有现成的一整套焊接工艺。因此，如何实现超厚和大尺寸的无氧铜的高质量焊接是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明一种超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法，实现超厚无氧铜大尺寸工件的高质量焊接。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法，其特征在于，超厚无氧铜大尺寸工件包括若干无氧铜部件，各无氧铜部件的厚度≥15mm，相邻无氧铜部件之前形成的焊缝长度≥2000mm，所述超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法包括：
6.s1：将多个无氧铜部件进行拼接，固定各无氧铜部件的相对位置；
7.s2：对焊缝两侧相邻的无氧铜部件持续进行预热，向相邻的无氧铜部件形成的焊缝处持续充入保护性气体，并且保护性气体朝向熔池方向充入，以增加熔池熔深，调整设定距离的预施焊段以使预施焊段的焊缝处于水平位置，焊接设定距离的焊缝后，调整焊缝以使下一段预施焊段的焊缝处于水平位置，然后进行焊接，重复进行上述操作，以完成一整条焊缝的焊接；
8.s3：重复s2的操作，以完成各无氧铜部件拼接形成的其它焊缝的焊接。
9.在其中一个实施例中，各所述无氧铜部件位于焊缝处的坡口面包括相交的下端坡面和上端坡面，下端坡面与垂直轴形成的倾角为α，上端坡面与垂直轴形成的倾角为β，且α》β。
10.在其中一个实施例中，相邻无氧铜部件的坡口面的下端坡面之间留有间隙d，且5mm≤d≤8mm。
11.在其中一个实施例中，45
°
≤α≤60
°
，0
°
≤β≤10
°
。
12.在其中一个实施例中，对相邻的无氧铜部件的预热以靠近焊缝两侧多点加热的方式进行。
13.在其中一个实施例中，预热温度为600℃～700℃。
14.在其中一个实施例中，焊接采用熔化极惰性气体保护焊(mig)的方式，所述保护性气体由氩气和氦气混合而成，并且氩气与氦气的体积比为3:1～6:1。
15.在其中一个实施例中，保护性气体的流量为20min/l～28min/l。
16.在其中一个实施例中，焊接采用的焊机额定功率在400a以上，且可以持续工作1小时以上；焊接的电流310～340a，电压25～30v。
17.在其中一个实施例中，焊接过程中，焊枪朝向指向已焊的区域，与焊缝延伸方向相反，并且焊接到无氧铜部件附近时，焊枪停留0.5s～1.5s。
18.本发明提供的超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法，通过对焊缝两侧的无氧铜部件进行预热，使无氧铜部件的预热温度接近其熔点，从而在焊接过程中无氧铜部件能够与焊料形成紧密的熔合；向焊缝处通入保护性气体，增加焊接处熔池的深度，并使熔池具有较好的流动性，易于焊接熔合；调整预施焊段的焊缝至水平位置，从而避免因焊缝较深且尺寸较大，导致熔融金属倾向焊缝一侧，从而无法形成完整的焊缝结构。综上所述，本发明提供的焊接方法能够实现对超厚无氧铜大尺寸工件的焊接，在无氧铜部件之间的焊缝处形成高质量的焊接。
附图说明
19.图1为本发明实施例的超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法的流程图；
20.图2为本发明实施例中无氧铜部件位于焊缝处坡口角度的示意图；
21.图3为本发明实施例中焊接操作的示意图；
22.图4为发明实施例中超厚无氧铜大球壳的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.超厚无氧铜大尺寸工件包括若干组成部分，每一部分均由无氧铜组成。其厚度一般超过15mm，而焊缝的长度则可以达到1m以上，对于球形件。由于超厚无氧铜大尺寸工件的厚度和尺寸均较大，因此在其焊接过程中存在很多问题。并且，在工艺标准手册上给出的厚铜焊接方案，只提供了厚铜焊接原则性的方法，相应的参数范围比较宽泛，缺少对特定铜的种类，以及特殊结构焊接实现的关键要点。为此，本发明实施例提出了相应的焊接方法。
25.如图1所示，本发明实施例提出一种超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法，其中超厚无氧铜大尺寸工件包括若干无氧铜部件，各无氧铜部件的厚度≥15mm，相邻无氧铜部件之前形成的焊缝长度≥2000mm。该焊接放法包括s1～s3，详述如下：
26.s1：将多个无氧铜部件进行拼接，固定各无氧铜部件的相对位置；
27.s2：对焊缝两侧相邻的无氧铜部件持续进行预热，向相邻的无氧铜部件形成的焊缝处持续充入保护性气体，并且保护性气体朝向熔池方向充入，以增加熔池熔深，调整设定
距离的预施焊段以使预施焊段的焊缝处于水平位置，焊接设定距离的焊缝后，调整焊缝以使下一段预施焊段的焊缝处于水平位置，然后进行焊接，重复进行上述操作，以完成一整条焊缝的焊接；
28.s3：重复s2的操作，以完成各无氧铜部件拼接形成的其它焊缝的焊接。
29.在步骤s1中，如图2所示，各无氧铜部件位于焊缝处的坡口面包括相互交接在一起的上端坡面和下端坡面。其中下端坡面与垂直轴形成的倾角α，上端坡面与垂直轴形成的倾角为β，且α》β。需要说明的是，α与β均为竖直倾角，并且垂直轴是指沿竖直方向的轴线。进一步地，下端坡面所占无氧铜部件的厚度与上端坡面所占无氧铜部件的厚度之比大约为1:2。由于焊枪的焊头具有一定的尺寸，在α》β且厚度之比大约为1:2条件下，有利于避免焊头与焊件之间的干涉，避免因干涉而无法进行灵活施焊并完成相应焊缝的有效焊接。α、β和厚度比例取值过小，无法避免干涉问题；α、β和厚度比例取值过大，则会明显增加坡口截面积，从而增加焊料、焊接层数、焊接时间等，既增加不必要的材料和工时损耗，也增加了产生缺陷的概率，不利于焊缝的高质量焊接成型，因此α、β和厚度比例需要有合理的范围。进一步地，在相邻的两个无氧铜部件坡口面的下端坡面相对的位置留有焊接间隙d，且5mm≤d≤8mm。留有焊接间隙有利于接缝处焊丝熔透，能避免预热后两侧膨胀变形导致尖端抵触挤紧无法焊透形成焊接缺陷。
30.以上参数中，α的取值范围为45
°
～60
°
，β的取值范围为0
°
～10
°
。需要说明的是，当α数值过小时，焊枪无法进入坡口中，因而无法完成焊缝的焊接；而α数值过大时，则会使焊缝尺寸较大，因而需要较多的焊料来进行补充，也需要较长时间来进行焊接操作，因此当α处于45
°
至60
°
之间时，既能够保证焊枪能够进入焊缝中完成焊接操作，又能够较少焊接所需焊料以及焊接所需时间。当β数值过大时，整个焊缝的尺寸会很大，因此需要很多的焊料来进行填充，并且需要很长的焊接时间，所以当β处于0
°
至10
°
时，能够节约大量的焊料以及焊接所需时间。
31.在多个无氧铜部件进行拼接的过程中，利用工装固定相邻两个无氧铜部件之间的位置。具体来说，将两个无氧铜部件进行拼接，然后检测其变形是否在可接受范围内，如果有较大偏差，则对无氧铜部件的相对位置进行调整。然后在焊接坡口的背面沿焊缝方向全部铺上衬板并固定，衬板跟坡口两侧无氧铜及坡口底部的焊接间隙可形成熔化铜液承载空间，从而保证坡口底部焊接时铜液不滴漏，跟两侧无氧铜形成熔池，实现充分熔合。衬板及其固定方式例如可以是，铜衬板以点焊的方式分别焊接在无氧铜衬板上。进一步在两个无氧铜部件所形成的焊缝处，设置与焊缝垂直的拉块，拉块有多个且等间距设置，以用于固定焊缝的位置，避免因无氧铜部件位置的移动而导致焊缝位置以及大小的变化，从而有效地保证了多个无氧铜部件在焊接过程中有较小的变形。
32.在步骤s2中，调整设定距离的预施焊段以使预施焊段的焊缝处于水平位置，焊接设定距离的焊缝后，调整焊缝以使下一段预施焊段的焊缝处于水平位置，然后进行焊接。具体来说，在焊接前，调整设定距离的焊缝，使该段焊缝处于水平位置，保持焊缝的开口垂直朝上，且焊缝左右对称，以避免因熔池和焊液因重力作用而流向一侧，从而避免在焊液流失的一侧形成气孔和未熔合缺陷；调整之后，对该设定距离的焊缝进行焊接，然后再调整设定距离的焊缝至水平位置，以保持焊缝的开口垂直朝上，且焊缝左右对称，然后对该焊缝进行焊接。其中，重复调整设定距离的焊缝至水平位置，既能够完成较为平整的焊缝的焊接，又
能够完成弧线形的焊缝的焊接。
33.在步骤s2中，对焊缝两侧相邻的无氧铜部件持续进行预热，其中预热是为了使无氧铜母材达到一定的预热温度，加之在焊接过程中所产生的热量能够使焊接处的无氧铜母料处于熔融状态，进而使无氧铜母料与焊料实现很好的熔合，从而能够在无氧铜母材上形成紧密且结构强度较好的焊缝。加热过程中，持续对无氧铜表面的温度进行检测，以避免无氧铜表面的温度过低或过高，并且能够适时对其进行加热、补热等操作。进一步地，对相邻的无氧铜部件的预热以靠近焊缝两侧多点加热的方式进行，多点加热的方式有利于保持正在焊接的焊缝处的无氧铜母材始终保持在预热温度，并且由于焊枪在焊接过程中的移动速度远远大于预热的速度，因而能够使待焊接的焊缝处的无氧铜母材能够处于预热温度，从而有利于焊头运动到该位置时，能够迅速进行焊接，大大提高焊接的速度，并保证焊接的质量。具体地，多点加热的方式可以为，采用乙炔-氧焰排管喷枪的方式进行加热，枪口距离铜表面10～15cm，间距约20cm,保证均匀有效预热，且在焊接过程中要进行持续加热，在必要时，还要在焊接一侧增加临时喷枪手工进行补热。进一步地，预热温度为600℃～700℃，当预热温度在此范围时，既能够保证无氧铜母材处于一个合适的预热温度，又能防止预热温度过高时，预热温度对预热时长、焊接操作和变形控制产生的不利影响。进一步地，在预热温度较高时，需要在焊缝两侧的无氧铜部件的表面上覆盖隔热材料(如石棉)，同时保证焊接工人的安全。
34.进一步地，焊接采用熔化极惰性气体保护焊(mig)的方式，充入的保护性气体由氩气和氦气混合而成，并且氩气与氦气的体积比为3:1～6:1。对于超厚和无氧铜结构的焊接，因铜本身导热很快，厚度大、坡口大且填料多，因而通过熔化极惰性气体保护焊(mig)来进行焊接操作。保护性气体在超厚大尺寸无氧铜的焊接过程中，能够有效地增加熔深，而较大的熔深能够有效减少缺陷出现的概率，如气孔、未熔合等，因此需要通过适当选择保护性气体来增加熔深。对于厚度较小和尺寸较小的铜结构件，此时的保护性气体为纯氩，而对于超厚大尺寸的长焊缝的焊接，需要增加氦气成分，以提高熔池流动性，减小熔滴尺寸和溅射影响，增加熔池和熔深。并且焊缝质量对气体的纯度、比例的稳定性比较敏感，纯度要求0.99999及以上。在长焊缝或需要较长焊接时间的焊接过程中，要关注并保证每次焊接过程中气体的充足，气体压力和比分的稳定。进一步地，保护性气体的流量为20min/l～28min/l。
35.进一步地，对于此类超厚大尺寸长焊缝无氧铜的焊接，单条焊缝长度在一米以上，并且需要多焊层堆积完成，其焊接层数至少为三层，以便于在较深的焊缝中形成较为完好的焊缝结构，因此要求焊机具有非常高的性能。焊接采用的焊机要配水冷焊枪，焊机额定功率在400a以上，且可以持续工作1小时以上；焊接的电流310～340a，电压25～30v。进一步地，如图3所示，在焊接过程中，焊枪朝向指向已焊的区域，与焊缝延伸方向相反，并且焊接到无氧铜部件(母材)附近时，焊枪停留0.5s～1.5s。以上操作手法可大大降低，甚至完全消除焊缝中的气孔和末熔合等缺陷。
36.需要说明的是，要高质量完成此类超厚大件长焊缝无氧铜焊接，要求焊接工人本身是有丰富经验和焊接技术的高级技师，特别是有纯熟的钢或铜的焊接经验，有mig焊接专长的更好，在正式焊接之前，需要经过试焊并通过焊接质量评定才能进行实际的焊接。
37.本发明提供的超厚无氧铜大尺寸工件的焊接方法，根据超厚和大尺寸的无氧铜大
尺寸工件的特性，对其焊缝进行相应的改进，从而有利于整个焊缝的焊接完成；通过预热的方式，使母材与焊料有较好的熔合；通过充入保护性气体，增加熔池熔深，以使焊接处焊透；通过不断调整焊缝位置至水平位置，保证在焊缝内形成均匀对称的焊接结果。通过以上设置，实现超厚无氧铜大尺寸工件的高质量焊接。
38.接下来，结合具体实施例来说明：
39.实施例一
40.如图4所示，某一超厚的无氧铜大球壳，其厚度为28mm，直径为1.8m。大球壳包括上下拼接的上半球壳和下半球壳，其中上半球壳包括拼接在一起的球顶板、若干上弧形板和法兰，下半球壳包括拼接在一起的球底板、若干下弧形板和法兰，上半球壳和下半球壳通过各自的法兰连接。在大球壳的焊接过程中，不同部件之间形成坡口，坡口面的下端坡面的倾角为45
°
，坡口面的上端坡面的倾角为5
°
，焊接间隙为6mm；预热温度为650℃；所充入的保护性气体中的氦气与氩气的比例为8：2，保护性气体的流量为25min/l；焊机采用的额定功率为450a，焊接电流为320a，焊接电压为26v，并且在焊接过程中焊枪移动到母材附近时的停留时间为1s。
41.该大球壳的具体焊接方法如下：
42.步骤1：通过无氧铜板制备若干上弧形板，并对上弧形板的边角处进行处理，使得上弧形板的尺寸接近预设尺寸；将两块上弧形板放置在工装支架上，在两块上弧形板的内侧以点焊的方式焊接铜衬板，并在焊缝处焊接多个连接拉块；将两块上弧形板形成的整体翻转，并放置在可调节旋转的工装上；采用乙炔-氧焰排管喷枪，并以沿着焊缝的延伸方向多点加热的方式进行，枪口距离铜表面间距约20cm,保证均匀有效预热，然后向焊缝处持续充入保护性气体；通过旋转工装调节焊缝的起始位置至水平位置，通过焊枪对焊缝进行焊接，焊接时焊枪朝向已焊的区域，并且焊接到上弧形板的边界时稍作停留；焊接300mm的焊缝后，对两块上弧形板的焊缝位置进行调整，使下一段待焊接的焊缝处于水平位置，并重复焊接操作；依次进行调整焊缝位置和焊接操作，以完成一整条弧形焊缝的焊接，并拆除铜焊板和连接拉块，至此完成以两块上弧形板的“1 1”结构；
43.重复进行上述操作，完成另外一个“1 1”结构，进一步拼接形成“2 2”的结构，并进行焊接操作，并进一步地焊接“4 1”，从而形成上半球壳主体；
44.步骤2：在步骤1形成的上半球壳主体上拼接球顶板，并通过步骤1中的调整和焊接操作完成焊接，然后再在上半球壳主体的开口处安装法兰，对法兰进行调整和焊接操作，以完成整个上半球壳的焊接；
45.步骤3：对下半球壳所包含的各部件重复进行步骤1和步骤2的操作，以完成整个下半球壳的焊接；
46.步骤4：将上半球壳和下半球壳的法兰对接，并通过螺栓的方式连接在一起，从而形成完整的超厚无氧铜大球壳
47.实施例二
48.某一大型无氧铜板件，该板件长3m，宽2.5m，厚20mm。该板件是由三块并列设置的板块拼接形成，每一板块长1m，宽2.5m，厚20mm。各板块位于焊缝处的坡口面包括下端坡面和上端坡面，下端坡面与垂直轴的倾角为50
°
，上端坡面与垂直轴的倾角为8
°
，焊接间隙为7mm；预热温度为670℃；所充入的保护性气体中的氦气与氩气的比例为7：3，保护性气体的
流量为27min/l；焊机采用的额定功率为430a，焊接电流为330a，焊接电压为28v，并且在焊接过程中焊枪移动到母材附近时的停留时间为0.5s。
49.该无氧铜板件的具体焊接方法如下：
50.步骤1：对三个板块进行粗加工，使得板块的尺寸符合预设尺寸，将两个板块并列排布在支撑工装上，使焊缝朝下，在两个板块之间以点焊的方式固定支撑衬板，然后在沿焊缝的延伸方向焊接多个拉块；
51.步骤2：用焊枪以多点加热的方式对焊缝两侧的板块进行加热，向焊缝处通入保护性气体，然后通过工装调整焊缝的起始位置至水平位置，以使焊缝的坡口垂直向上，然后通过焊枪对该段焊缝进行焊接；焊接时焊枪朝向已焊接的区域，并且在焊接到板块母材处时，稍作停留；焊接400mm长的焊缝后，再次焊缝调整操作和焊接操作，以完成整条焊缝的焊接，最后拆除支撑衬板和拉块；
52.步骤3：通过支撑工装将上述两个板块形成的板体放置在支撑工装上，在焊缝的背侧以点焊的方式固定支撑衬板，然后在沿焊缝的延伸方向焊接多个拉块；重复进行步骤2的操作，以完成整条焊缝的操作，从而形成完整的无氧铜板件。
53.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。