大截面金屬鎳棒的焊接工藝與實踐

在鎳的冶煉過程中，為了提高鎳的純度，往往需要進行多次不同的冶煉提純過程，二次鎳精礦熔鑄后為了提高純度需要進行電解或電渣熔煉［1］ 。這時鎳棒需要一定的長度和截面，但是冶煉熔鑄后的鎳棒不一定都是適合的尺寸，這就需要將鎳棒加工到合適的長度。

因此，一般情況下需要進行鎳棒的焊接接長。

1、鎳棒焊接的基本要求

對于鎳棒的接長，為了保證鎳棒在接長過程中鎳棒的成分不變，一般需要采用鎢極氬弧焊進行自熔焊接。作者曾為某冶金企業(yè)焊接加工總長為3m、有一道或兩道焊口的鎳棒。由于鎳棒截面大，質(zhì)量大，因此要求焊接時熔深大，用以防止在電渣冶煉過程中因為焊縫強度不足而出現(xiàn)連接部分整體脫落，而導(dǎo)致冶煉過程中斷。

2、鎳的物理性能和焊接性

鎳的化學(xué)活性低，氧化初期生成的氧化膜能防止鎳的進一步氧化。因此焊接時焊縫及熱影響區(qū)的保護不是要求很高，保護氣的流量可按低碳鋼焊接時的流量選取。鎳和鐵的物理性能接近，但是鎳的液態(tài)流動性差［2］ 。由于焊件尺寸大，導(dǎo)致冷卻速度快，而焊接過程對于焊縫組織質(zhì)量沒有特殊要求，因此可以采用較大的焊接參數(shù)進行施焊。

3、鎳棒焊接接頭的加工及組對

在焊接鎳棒之前，需要對鑄造端頭進行適當(dāng)?shù)募庸ぃ驗殒嚭苜F，一般不進行切頭加工，只是將端頭的飛邊用鐵錘敲平或者用電弧熔化以保證接頭之間的間隙在5mm 以內(nèi)。選擇截面相同的兩個鎳棒進行組對，可以將兩根鎳棒放到規(guī)整的 50 mm >50 mm 角鋼上先進行定位焊，以其保證同心度。

4、焊接設(shè)備及工藝參數(shù)

起初采用的設(shè)備是 NSA - 300 - 1 型鎢極氬弧焊機。焊接工藝參數(shù)見表 1。

這時焊縫的熔透一般達到3 ~ 4mm，對于間隙小于2mm 的接頭該焊接工藝參數(shù)基本能滿足要求。當(dāng)間隙超過2mm 時，需要利用電弧將鎳棒邊緣熔化的液態(tài)鎳水帶到中間，因此需要更大的焊接工藝參數(shù)。由于當(dāng)時設(shè)備已經(jīng)處于滿負荷運行，無法進行電流的增加。為此采用兩臺焊機進行并聯(lián)使用方式。由于鎢極氬弧焊采用的是直流正接，因此需將一臺空載電壓接近、焊機的外特性是陡降的直流整流焊機并聯(lián)接到鎢極氬弧焊機的電源輸出端，這樣通過調(diào)節(jié)直流焊機的輸出電流就可以實現(xiàn)需要的焊接電流值，實際的焊接電流是由兩臺焊機同時供應(yīng)，因此焊接電流值是兩臺焊機輸出電流之和。在這種情況下，采用焊接電流 350A、電弧電壓 20 V 的焊接參數(shù)順利進行了大間隙接縫的焊接。

5、方形鎳棒焊接裂紋的處理

5.1 產(chǎn)生裂紋的原因分析

方形鎳棒在鑄造時由于拔模斜度的存在，使得鎳棒在長度上的橫截面存在一定的楔形，如圖 2 所示。鎳棒的截面為正方形，邊長為150mm，長度為 1500mm 左右。將鎳棒兩端支撐，使整根鎳棒軸心處于同心狀態(tài)后組對、定位焊固定，然后進行對稱面焊接。在焊接第四面的接縫時，由于三面焊縫的拘束作用，常出現(xiàn)焊接裂紋，特別是當(dāng)?shù)谒拿娴钠驴陂g隙超過 3 mm 且焊接位置為水平時，裂紋的產(chǎn)生更加嚴重，如圖 2a 所示。

這是因為：

（1）三面焊縫的拘束作用使得第四面焊縫不能自由收縮。

（2）在焊完第一面焊縫后，人們往往把鎳棒兩端的支撐墊取消，造成鎳棒質(zhì)量加到焊縫上加劇了形成拘束力的影響。

（3）在自由狀態(tài)下，第四面焊縫的橫向收縮作用會使鎳棒在焊接后產(chǎn)生角變形，而鎳棒本身的質(zhì)量使得角變形無法產(chǎn)生，所有的作用力都被放大后作用到焊縫上。

（4）焊縫厚度有限，應(yīng)力應(yīng)變集中嚴重。

因此，焊縫本身產(chǎn)生很大的應(yīng)變，超過了焊縫金屬的塑性儲備，隨即出現(xiàn)裂紋。

5.2 采取的措施

針對裂紋的產(chǎn)生原因，采取如下解決方案：

（1）在坡口間隙較小，焊接第四面焊縫時應(yīng)將其置于側(cè)面位置，進行立焊。

（2）在坡口間隙較大、三面焊縫焊完的情況下，可將鎳棒一側(cè)端頭支起，使焊接接頭坡口處處于受壓狀態(tài)，以此減小焊縫的收縮應(yīng)力，焊接裂紋的產(chǎn)生明顯減少。如圖 2b 所示。

（3）加大焊接電流，使得有足夠的液態(tài)鎳水過渡連接，增加焊縫厚度。

6、結(jié) 論

（1）采用直流鎢極氬弧焊方法焊接大截面鎳棒時，選用280 ~350 A 的焊接電流，可以保證焊接接頭具有足夠的熔深，防止了因焊縫強度不足而出現(xiàn)連接部分整體脫落現(xiàn)象。

（2）通過焊機的并聯(lián)使用，解決了鎳棒焊接過程中焊機輸出電流不足的問題。

（3）采取減小焊接區(qū)域拘束度的措施，避免了方形鎳棒施焊時焊接裂紋的產(chǎn)生。

參考文獻

［1］ 盧笠漁. 我國鎳冶煉技術(shù)的進展［J］. 有色冶金，1996 （增刊）：16 -20.

［2］ 曾 樂. 現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊［M］. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993. 798. （收稿日期 2006 04 10）