專(zhuān)利名稱(chēng)：電纜鋁熱焊接方法
專(zhuān)利說(shuō)明 本發(fā)明屬焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及銅電纜與鋼以及銅電纜與銅電纜之間的鋁熱焊接。
十九世紀(jì)末期，隨著冶煉工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用鋁熱劑作為熱源的鋁熱焊法。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，焊接作業(yè)快，不需要大功率的電源，焊接操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，特別適用于野外施工。
近年來(lái)，雖然鋁熱焊接無(wú)論是在焊劑方面還是在焊接工藝方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其應(yīng)用領(lǐng)域還是和開(kāi)初一樣，主要在鐵路部門(mén)的鋼軌焊接，以及基建部門(mén)的天車(chē)軌道焊接等場(chǎng)合。對(duì)于有色金屬與黑色金屬之間，以及有色金屬之間的焊接，鋁熱焊的應(yīng)用和發(fā)展還很薄弱。
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，地下管道用鋼材地強(qiáng)度越來(lái)越高。材質(zhì)強(qiáng)度的增高對(duì)于斷裂韌性的要求也就越高，尤其是管道趨向薄壁、操作趨向高壓以來(lái)更是如此。同時(shí)對(duì)熱應(yīng)力的要求也就越高。無(wú)疑，電焊時(shí)的熱量會(huì)威脅到管道的安全，而鋁熱焊的應(yīng)用可成功地避免這一問(wèn)題。
過(guò)去長(zhǎng)輸管道的施工程序大多是先進(jìn)行管道的焊接打壓、回填，在施工后期才進(jìn)行管道附屬陰極保護(hù)工程的施工。在線路上焊接陰極保護(hù)測(cè)試樁時(shí)，還要重新開(kāi)挖管道，去掉管道覆蓋層，用發(fā)電機(jī)發(fā)電，再用電焊機(jī)焊接。當(dāng)用銅芯電纜時(shí)，先在鋼加強(qiáng)板上焊接一個(gè)銅鼻子，灌上熔化的焊錫，把銅芯電纜焊死，然后再把加強(qiáng)板用電焊焊到管道上。這樣的工藝需要大量人力物力、大型設(shè)備，費(fèi)用高昂。對(duì)于輸氣管道，正常輸氣情況下一般嚴(yán)禁電焊作業(yè)，因?yàn)橛幸鸨艿奈ｋU(xiǎn)。
采用電纜鋁熱劑焊接，一般鋁熱還原反應(yīng)只需2～5秒鐘，焊接面積小(僅2cm2左右)，其熱影響?？珊雎?。焊接時(shí)只要一個(gè)小小的石墨模具加上一根高溫火柴，工具十分簡(jiǎn)單，既省去了大型的發(fā)電機(jī)和電焊設(shè)備，又節(jié)約了汽油，并且一人即可操作。焊接方法安全可靠。對(duì)于管道陰極保護(hù)電纜的焊接，鋁熱焊可起重要作用。
第4033399號(hào)美國(guó)專(zhuān)利提供了一種銅和鋼之間鋁然焊的方法，其焊劑由50～65的氧化銅，1.8～2.4的鋁，10～13的硅鈣，20～38的銅或其他銅合金組成(重量百分比)。這種焊劑需要使用特定廠家的硅鈣合金和焊接作業(yè)時(shí)先對(duì)鋼體進(jìn)行預(yù)熱才能獲得滿意結(jié)果，且配方較復(fù)雜，成本高，因而難以普遍用于管道陰極保護(hù)電纜的焊接。
羅馬尼亞專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)86454)提供了一種可用于青銅、黃銅、鋼和鑄鐵的鋁熱焊劑，其組成為(重量%)氧化亞銅和氧化銅粉45～57，氟化鈣3～4.5，銅粉17～36，以及非必須的五氧化二釩3～4，鐵合金(例如鈦鐵、釩鐵)5～11，其余為鋁粉?；蛘咪X熱劑由65%的氧化銅粉，30%的氧化亞銅粉和5%的銅粉混合物95克，鋁粉23克，五氧化二釩8克，氟化鈣8克和銅粉5克組成。這種焊劑用于管道陰極保護(hù)電纜的焊接，其質(zhì)量較差。究其原因，可能是加入的氧化亞銅量較多，過(guò)分降低了溫度，以及熔劑氟化鈣的量大少，其結(jié)果均使造渣性及熔渣流動(dòng)性差，焊接接點(diǎn)產(chǎn)生缺陷所致。
本發(fā)明的目的是為銅電纜與鋼之間、以及銅電纜與銅電纜之間的焊接，提供一種比現(xiàn)有技術(shù)更適用的、包括焊劑在內(nèi)的鋁熱焊接方法，要求焊接質(zhì)量能滿足管道陰極保護(hù)的要求，配方簡(jiǎn)單，成本盡可能低。材料易得，操作方便，不需預(yù)熱。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的根據(jù)管道陰極保護(hù)電纜的特定焊接要求，以鋁熱反應(yīng)原理及其冶金過(guò)程為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到焊接金屬的化學(xué)成分，機(jī)械性能和電性能，采用優(yōu)選法和正交試驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)篩選，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定焊劑配方，焊接工藝和模具。
本發(fā)明的焊劑配方為(重量百分比)氧化銅粉55～67，鋁粉14～23，氟化鈣16～25。優(yōu)取配方為(重量百分比)氧化銅粉60～63，鋁粉18～21，氟化鈣18～22。
其中鋁粉主要起還原氧化銅的作用 反應(yīng)放出大量的熱，同時(shí)生成的銅液作為焊接金屬。要求鋁粉的含量不低于95%，粒度為0.15～0.30mm。
為了控制鋁熱焊溫度和增加銅液量，一般在鋁熱焊劑中加入適量的銅或銅合金，本發(fā)明由于不對(duì)鋼體預(yù)熱，因而焊劑中未加銅或銅合金。
鋁粉和氧化銅粉反應(yīng)生成的熔渣主要為三氧化二鋁。由于渣的熔點(diǎn)較高，因此渣的流動(dòng)性較差。良好的熔渣流動(dòng)性是提高焊接質(zhì)量的一個(gè)重要條件。為了降低熔渣熔點(diǎn)，增強(qiáng)熔渣流動(dòng)性、本發(fā)明加入適量的氟化鈣作為熔劑 Cao上浮至渣中，AlF3升華逸出銅液表面。氟化鈣的量不宜太少，否則達(dá)不到預(yù)期目的;亦不宜太多，以免帶走過(guò)多的熱量，使反應(yīng)不能正常進(jìn)行。
本發(fā)明焊接管道陰極保護(hù)電纜的操作步驟是 a.電纜剝皮適當(dāng)長(zhǎng)度(約3～5cm)， b.把焊接模具和電纜壓在管道上， c.往焊接模具內(nèi)加入焊劑， d.點(diǎn)火引燃， e.稍冷卻后取下焊接模具，去除焊渣。
本發(fā)明焊接管道陰極保護(hù)電纜所用焊接模具見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附

圖1和2。石墨坩鍋〔3〕的模腔用于充填焊劑〔2〕，一側(cè)開(kāi)口的坩鍋蓋〔1〕通過(guò)絞鏈〔10〕與〔3〕聯(lián)接。使用時(shí)模腔底部放有銅片〔4〕。與〔3〕緊固的手柄〔9〕可便于模具攜帶和安全操作。還可在〔3〕的下部緊固一磁鋼〔5〕，使模具吸附在鋼體上，便利操作。圖中〔6〕為鋼體(即管道)，〔7〕為黃銅套，〔8〕為電纜。模具可分磁鋼固定式和手柄固定式兩種。去掉磁鋼〔5〕后，用手握住手柄把模具壓在管道上即為手柄固定式。
焊接模具的使用過(guò)程是焊劑放入石墨坩鍋的上部大型腔中，銅片〔4〕放在下面擋住焊劑。加熱焊劑發(fā)生鋁熱反應(yīng)后，生成液態(tài)金屬并熔化銅片而流入石墨坩鍋下部較小的型腔中，在套有黃銅套的電纜上形成一個(gè)成型焊點(diǎn)。坩鍋蓋可防止反應(yīng)時(shí)液態(tài)金屬濺出。此外在放置焊接模具之前，首先用鋼絲刷，銼刀等工具將欲焊鋼體(管道)表面打磨出一塊大約50×50mm2的區(qū)域。要求做到打磨面無(wú)鐵銹和油污，干燥清潔。
本發(fā)明除用于陰極保護(hù)測(cè)試導(dǎo)線，陰極電纜的焊接之外，也可用于鋼軌的跨接銅母線以及電力接地極的銅導(dǎo)線的焊接，因而在石油、鐵道、電力、郵電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
本發(fā)明與已有的鋁熱焊接方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是特別適用于銅芯電纜與鋼體間以及銅電纜與銅電纜間的焊接，配方簡(jiǎn)單，成本低原料易得，操作方便，并且焊接質(zhì)量好，表面光滑，接觸電阻小，抗拉強(qiáng)度大。
使用本發(fā)明焊接銅芯電纜具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.焊接的電流載流量和導(dǎo)線的相等; 2.焊接是永久的，不會(huì)因松開(kāi)或腐蝕造成高電阻連接; 3.設(shè)備輕便(不足1千克)、價(jià)格低廉; 4.不需要外部電源和熱源; 5.不需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù); 6.可用肉眼檢查質(zhì)量。
以下通過(guò)對(duì)電焊機(jī)焊接法和本發(fā)明鋁熱焊接法進(jìn)行比較，可以看出，使用本發(fā)明具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 測(cè)試樁安裝費(fèi)用比較
比較得知，安裝一測(cè)試樁，電焊法需花費(fèi)167.41元，而本明鋁熱焊接法僅需34.00元，可節(jié)約費(fèi)用133.41元。若以我國(guó)某部門(mén)每年建設(shè)1000Km的石油管道計(jì)，應(yīng)有1000個(gè)測(cè)試樁，則僅安裝費(fèi)用就可節(jié)約133410元，若再考慮這1000Km中陰極保護(hù)站的導(dǎo)線連接和陰極電纜連接，則可節(jié)約35萬(wàn)元。
圖1為焊接模具的主視剖面圖。
圖2為焊接模具的左視圖。
實(shí)例1。使用鋁熱法焊接時(shí)，因焊接目的和焊接對(duì)象不同，需要采用不同成份和劑量的鋁熱劑。同時(shí)對(duì)焊接性能的要求也不同。本發(fā)明用于日益發(fā)展的地下輸油氣管網(wǎng)陰極保護(hù)野外施工時(shí)銅電纜對(duì)鋼質(zhì)管道，或銅電纜對(duì)銅電纜的焊接，其質(zhì)量要求主要有兩點(diǎn)，一是焊接強(qiáng)度，這是保證電纜能進(jìn)行正常工作的基本條件;二是焊接的接觸電阻應(yīng)小于一定值(規(guī)定小于0.001歐姆)，這樣才能保證電接觸可靠性和能源的充分利用，增強(qiáng)陰極保護(hù)效果。此外對(duì)不同厚度的鋼板，在進(jìn)行鋁熱焊接的瞬間，對(duì)應(yīng)于焊點(diǎn)的鋼板背面所能達(dá)到的最高溫度這一工藝參數(shù)，雖不是質(zhì)量要求，但對(duì)用戶是很有參考價(jià)值的。在本實(shí)例中，采用下述配方的焊劑(重量百分比)氧化銅60、鋁粉18、氟化鈣22，進(jìn)行焊接并做了測(cè)試，結(jié)果如下 1.焊點(diǎn)背面鋼板表面溫度 鋼板(A)厚度(mm)4681012 背面表面溫度(℃)450360280180100 2.焊接強(qiáng)度(電纜截面積為10mm2) 鋼板(A)厚度(mm)121210108864 最大承荷(kg)1171341877914486173175 試樣斷裂，都是在焊點(diǎn)與電纜交界處的電纜上。
3.焊點(diǎn)接觸電阻小于4×10-4歐姆。
可見(jiàn)本發(fā)明方法能很好地滿足管道陰極保護(hù)的焊接要求。
實(shí)例2。在我國(guó)秦京管線大興加熱站附近的輸油管道上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，所用鋁熱焊劑配方為(重量百分比)氧化銅62，鋁粉19，氟化鈣19。焊接電纜為10mm2與16mm2兩種。將管道表面打磨掉適當(dāng)大小的防腐層，再用砂紙打出光澤。電纜剝?nèi)?cm塑料皮，插入焊模。裝焊劑后點(diǎn)火焊接。點(diǎn)火燃燒3秒鐘左右即焊完。焊了三點(diǎn)，全部一次成功。由于在現(xiàn)場(chǎng)不可能用拉力機(jī)測(cè)試焊接強(qiáng)度，就用人工揪拉導(dǎo)線。最后將導(dǎo)線在焊接受熱段拉斷，焊點(diǎn)并未被拉下來(lái)，用工具也無(wú)法敲下。其強(qiáng)度足的滿足工程需要。焊點(diǎn)表面質(zhì)量也好。
權(quán)利要求
1、一種銅電纜與鋼體，以及銅電纜與銅電纜的鋁熱焊接方法，其特征在于
a.把插有電纜的焊模放在所需位置上，加入焊劑并點(diǎn)火引燃，
b.稍冷卻后取下焊模、去除焊渣，
c.所用焊劑成分為(重量百分比)氧化銅粉55～67，鋁粉14～23，氟化鈣16～25。
2、如權(quán)利要求1所述的鋁熱焊接方法，其特征在于所用焊劑成分為(重量百分比)氧化銅粉60～63，鋁粉18～21，氟化鈣18～22。
3、如權(quán)利要求1所述的鋁熱焊接方法，其特征在于焊接管道陰極保護(hù)電纜時(shí)的焊模為一石墨坩鍋〔3〕，一側(cè)開(kāi)口的坩鍋蓋〔1〕通過(guò)絞鏈〔10〕與〔3〕聯(lián)接，并在〔3〕上緊固有一手柄〔9〕。
4、如權(quán)利要求3所述的鋁熱焊接方法，其特征在于石墨坩鍋〔3〕的下部緊固有一磁鋼〔5〕。
全文摘要
電纜鋁熱焊接方法。本發(fā)明涉及銅電纜與鋼體，以及鋼電纜與銅電纜之間的鋁熱焊接。其焊劑配方為(重量％)氧化銅粉55～67，鋁粉14～23，氟化鈣16～25。焊模包括石墨模腔、磁鋼和手柄三部分。本發(fā)明配方簡(jiǎn)單、成本低原料易得，操作方便，并且焊接質(zhì)量好、表面光滑，接觸電阻小、抗拉強(qiáng)度大，用于管道陰極保護(hù)電纜的焊接有顯著經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B25B21/00GK1038045SQ8910342
公開(kāi)日1989年12月20日 申請(qǐng)日期1989年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月25日
發(fā)明者李云濤, 胡士信, 張俊義, 楊金柱, 朱維本, 楊孝先 申請(qǐng)人:昆明冶金機(jī)械廠, 石油工業(yè)部管道勘察設(shè)計(jì)院