電纜鋁熱焊接方法
2023-06-06 09:40:41
專利名稱：電纜鋁熱焊接方法
專利說明 本發明屬焊接技術領域，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。
十九世紀末期，隨著冶煉工業和化學工業的發展，出現了利用鋁熱劑作為熱源的鋁熱焊法。該技術具有設備簡單，投資少，焊接作業快，不需要大功率的電源，焊接操作簡便等特點，特別適用於野外施工。
近年來，雖然鋁熱焊接無論是在焊劑方面還是在焊接工藝方面都有了長足的進步，但其應用領域還是和開初一樣，主要在鐵路部門的鋼軌焊接，以及基建部門的天車軌道焊接等場合。對於有色金屬與黑色金屬之間，以及有色金屬之間的焊接，鋁熱焊的應用和發展還很薄弱。
隨著現代技術的發展，地下管道用鋼材地強度越來越高。材質強度的增高對於斷裂韌性的要求也就越高，尤其是管道趨向薄壁、操作趨向高壓以來更是如此。同時對熱應力的要求也就越高。無疑，電焊時的熱量會威脅到管道的安全，而鋁熱焊的應用可成功地避免這一問題。
過去長輸管道的施工程序大多是先進行管道的焊接打壓、回填，在施工後期才進行管道附屬陰極保護工程的施工。在線路上焊接陰極保護測試樁時，還要重新開挖管道，去掉管道覆蓋層，用發電機發電，再用電焊機焊接。當用銅芯電纜時，先在鋼加強板上焊接一個銅鼻子，灌上熔化的焊錫，把銅芯電纜焊死，然後再把加強板用電焊焊到管道上。這樣的工藝需要大量人力物力、大型設備，費用高昂。對於輸氣管道，正常輸氣情況下一般嚴禁電焊作業，因為有引起爆管的危險。
採用電纜鋁熱劑焊接，一般鋁熱還原反應只需2～5秒鐘，焊接面積小(僅2cm2左右)，其熱影響常可忽略。焊接時只要一個小小的石墨模具加上一根高溫火柴，工具十分簡單，既省去了大型的發電機和電焊設備，又節約了汽油，並且一人即可操作。焊接方法安全可靠。對於管道陰極保護電纜的焊接，鋁熱焊可起重要作用。
第4033399號美國專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的矽鈣，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矽鈣合金和焊接作業時先對鋼體進行預熱才能獲得滿意結果，且配方較複雜，成本高，因而難以普遍用於管道陰極保護電纜的焊接。
羅馬尼亞專利(專利號86454)提供了一種可用於青銅、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，其餘為鋁粉。或者鋁熱劑由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。這種焊劑用於管道陰極保護電纜的焊接，其質量較差。究其原因，可能是加入的氧化亞銅量較多，過分降低了溫度，以及熔劑氟化鈣的量大少，其結果均使造渣性及熔渣流動性差，焊接接點產生缺陷所致。
本發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，提供一種比現有技術更適用的、包括焊劑在內的鋁熱焊接方法，要求焊接質量能滿足管道陰極保護的要求，配方簡單，成本儘可能低。材料易得，操作方便，不需預熱。
本發明是這樣實現的根據管道陰極保護電纜的特定焊接要求，以鋁熱反應原理及其冶金過程為基礎，同時考慮到焊接金屬的化學成分，機械性能和電性能，採用優選法和正交試驗進行反覆篩選，對焊接質量進行評價，以確定焊劑配方，焊接工藝和模具。
本發明的焊劑配方為(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 反應放出大量的熱，同時生成的銅液作為焊接金屬。要求鋁粉的含量不低於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，本發明由於不對鋼體預熱，因而焊劑中未加銅或銅合金。
鋁粉和氧化銅粉反應生成的熔渣主要為三氧化二鋁。由於渣的熔點較高，因此渣的流動性較差。良好的熔渣流動性是提高焊接質量的一個重要條件。為了降低熔渣熔點，增強熔渣流動性、本發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，否則達不到預期目的;亦不宜太多，以免帶走過多的熱量，使反應不能正常進行。
本發明焊接管道陰極保護電纜的操作步驟是 a.電纜剝皮適當長度(約3～5cm)， b.把焊接模具和電纜壓在管道上， c.往焊接模具內加入焊劑， d.點火引燃， e.稍冷卻後取下焊接模具，去除焊渣。
本發明焊接管道陰極保護電纜所用焊接模具見說明書附
圖1和2。石墨坩鍋〔3〕的模腔用於充填焊劑〔2〕，一側開口的坩鍋蓋〔1〕通過絞鏈〔10〕與〔3〕聯接。使用時模腔底部放有銅片〔4〕。與〔3〕緊固的手柄〔9〕可便於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〕後，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。加熱焊劑發生鋁熱反應後，生成液態金屬並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成型焊點。坩鍋蓋可防止反應時液態金屬濺出。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的區域。要求做到打磨麵無鐵鏽和油汙，乾燥清潔。
本發明除用於陰極保護測試導線，陰極電纜的焊接之外，也可用於鋼軌的跨接銅母線以及電力接地極的銅導線的焊接，因而在石油、鐵道、電力、郵電等領域有著廣泛的應用前景。
本發明與已有的鋁熱焊接方法相比，其優點是特別適用於銅芯電纜與鋼體間以及銅電纜與銅電纜間的焊接，配方簡單，成本低原料易得，操作方便，並且焊接質量好，表面光滑，接觸電阻小，抗拉強度大。
使用本發明焊接銅芯電纜具有如下優點 1.焊接的電流載流量和導線的相等; 2.焊接是永久的，不會因鬆開或腐蝕造成高電阻連接; 3.設備輕便(不足1千克)、價格低廉; 4.不需要外部電源和熱源; 5.不需要專門的技術; 6.可用肉眼檢查質量。
以下通過對電焊機焊接法和本發明鋁熱焊接法進行比較，可以看出，使用本發明具有明顯的經濟效益和社會效益 測試樁安裝費用比較
比較得知，安裝一測試樁，電焊法需花費167.41元，而本明鋁熱焊接法僅需34.00元，可節約費用133.41元。若以我國某部門每年建設1000Km的石油管道計，應有1000個測試樁，則僅安裝費用就可節約133410元，若再考慮這1000Km中陰極保護站的導線連接和陰極電纜連接，則可節約35萬元。
圖1為焊接模具的主視剖面圖。
圖2為焊接模具的左視圖。
實例1。使用鋁熱法焊接時，因焊接目的和焊接對象不同，需要採用不同成份和劑量的鋁熱劑。同時對焊接性能的要求也不同。本發明用於日益發展的地下輸油氣管網陰極保護野外施工時銅電纜對鋼質管道，或銅電纜對銅電纜的焊接，其質量要求主要有兩點，一是焊接強度，這是保證電纜能進行正常工作的基本條件;二是焊接的接觸電阻應小於一定值(規定小於0.001歐姆)，這樣才能保證電接觸可靠性和能源的充分利用，增強陰極保護效果。此外對不同厚度的鋼板，在進行鋁熱焊接的瞬間，對應於焊點的鋼板背面所能達到的最高溫度這一工藝參數，雖不是質量要求，但對用戶是很有參考價值的。在本實例中，採用下述配方的焊劑(重量百分比)氧化銅60、鋁粉18、氟化鈣22，進行焊接並做了測試，結果如下 1.焊點背面鋼板表面溫度 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，都是在焊點與電纜交界處的電纜上。
3.焊點接觸電阻小於4×10-4歐姆。
可見本發明方法能很好地滿足管道陰極保護的焊接要求。
實例2。在我國秦京管線大興加熱站附近的輸油管道上進行現場焊接，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大小的防腐層，再用砂紙打出光澤。電纜剝去3cm塑料皮，插入焊模。裝焊劑後點火焊接。點火燃燒3秒鐘左右即焊完。焊了三點，全部一次成功。由於在現場不可能用拉力機測試焊接強度，就用人工揪拉導線。最後將導線在焊接受熱段拉斷，焊點並未被拉下來，用工具也無法敲下。其強度足的滿足工程需要。焊點表面質量也好。
權利要求
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，其特徵在於
a.把插有電纜的焊模放在所需位置上，加入焊劑並點火引燃，
b.稍冷卻後取下焊模、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、如權利要求1所述的鋁熱焊接方法，其特徵在於所用焊劑成分為(重量百分比)氧化銅粉60～63，鋁粉18～21，氟化鈣18～22。
3、如權利要求1所述的鋁熱焊接方法，其特徵在於焊接管道陰極保護電纜時的焊模為一石墨坩鍋〔3〕，一側開口的坩鍋蓋〔1〕通過絞鏈〔10〕與〔3〕聯接，並在〔3〕上緊固有一手柄〔9〕。
4、如權利要求3所述的鋁熱焊接方法，其特徵在於石墨坩鍋〔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。本發明配方簡單、成本低原料易得，操作方便，並且焊接質量好、表面光滑，接觸電阻小、抗拉強度大，用於管道陰極保護電纜的焊接有顯著經濟效益。
文檔編號B25B21/00GK1038045SQ8910342
公開日1989年12月20日 申請日期1989年5月24日 優先權日1988年5月25日
發明者李雲濤, 胡士信, 張俊義, 楊金柱, 朱維本, 楊孝先 申請人:昆明冶金機械廠, 石油工業部管道勘察設計院