焊接接头的应力腐蚀开裂及防护

1、施工现场电焊机二次触电保护器的重要性 摘要:结合焊接事故,分析了安装漏电保护器的电焊机为什么还会发生触电事故的机理,探讨了二次漏电保护器的原 理,提出了操作人员应加强检查二次触电保护器,从而保证电焊能正常进行。 关键词:电焊机,触电,保护器 交流电弧焊机(简称电焊机) 是建筑工地常用的设备之一,同 时它又是一种高危险性的电器设备,其操作者属于特殊作业人 员,必须经过专业训练。目前漏电保护器的广泛使用对于控制电 焊机触电事故起了一定的作用,但电焊机二次侧的触电事故仍时 有发生。 1 事故事例 2004 年9 月,某建筑工程公司李某在施工现场焊接管道时, 由于地面潮湿(漏水) 手触及自制焊把的裸露

2、部分,二次电压通过 李某的身体形成回路,造成李某触电死亡。 2 事故机理 安装了漏电保护器的电焊机为什么还会发生触电死亡事故, 难道是漏电保护器不起作用。要了解事故原因必须分析整个电 焊机系统。 电焊机的工作原理,电焊机实质上是一台电磁感应变压器。 由于电弧焊是基于电弧产生的高温来熔化金属而达到焊接的目 的,由此首先要引弧。引弧的最初阶段由于焊条和焊件的空气间 隙不够热,要求引弧电压比较高(70 V90 V) ,以促使空气电离, 但此引弧电压达不到安全电压(36 V) 的要求,当操作者触及时会 导致触电死亡。当引弧发生后,空气成为导体,作用于电弧的电 压应迅速下降,以免电弧电流太大,此时的电焊

3、机二次侧工作电 压为二十多伏特,低于安全电压的要求,一般是比较安全的。可 见,电焊机二次侧的危险在于空载时的焊把线电压较高。由此可 以看出漏电保护器只能对电焊机的一次侧电路进行保护,对二次 侧来说漏电保护器是不起保护作用的。因为,目前使用的漏电保 护器是采用监测剩余电流来产生动作,即当流出漏电保护器的电 流i1 和流回漏电保护器的电流i2 相等时,漏电保护器即认为电 路未发生漏电不动作。一次侧线圈和导线本身构成一个闭合回 路,漏电保护器可以保护此部分电路。二次侧是另一个相对独立 的闭合回路,二次线圈通过电磁感应产生电动势,相当于这部分 电路的电源。这部分相对独立的电路是没有任何保护设施的,因

4、此当二次侧漏电时,会发生触电死亡事故。二次侧此时是一个不 完整的回路,一部分电流发生了异常流动,而一次侧此时的电路 和电流仍然完整,因此漏电保护器不动作。 3 二次漏电保护器原理 二次漏电保护器原理(以下简称二次保护器) 对电焊机二次 侧的保护是通过降压来实现的。 当二次侧不工作时(断路) ,二次保护器的取信号电路部分监 测到断路信号,控制电路使降压电路部分开始工作,将输出电焊 机一次侧的电压降低。由于电焊机空载时电压的比值是一定的, 当一次电压降低时二次电压随之降低,安装二次保护器后的二次 空载电压低于36 V 的安全电压的要求,一般只有二十几伏特。 如需要电焊机工作,操作同未安装保护器。焊

5、条和焊件接触时, 产生断路,取信号电路部分可以监测到此短路信号,此短路信号 经过放大传送给控制电路,控制电路控制降压电路使其停止工 作,电焊机的一次侧和二次侧电压迅速升高,使二次电压达到引弧 电压的要求。产生此短路信号的条件是二次侧电阻小于500 ,此 升压过程时间一般小于0. 1 s。当引弧成功后,二次侧电压又迅 速降低到二十几伏特。当停止电焊或操作失误引起电弧熄灭时, 电焊机恢复空载状态,二次电压又迅速升高,以保证电焊作业的 连续性。同时为保证安全,二次保护器使二次侧有一个延时期, 一般为1 s 左右,此时间内的二次电压为70 V90 V ,1 s 以后二 次保护器工作电压下降到安全电压。

6、可见安装了二次漏电保护 器后电焊的整个过程中,二次侧存在危险电压的时间非常短(仅 存在于引弧和灭弧过程) ,并且引弧产生危险电压的条件是二次 侧短路,从产生条件和存在时间上严格控制了危险电压,产生触 电的可能性大大降低,从而使电焊机二次侧的安全性大大提高。 由于触电的危险程度是电流强度越大,作用时间越长,危险性越 大,即使发生了触电,由于断路电阻远远小于人体电阻,分配在人 体的电流也非常小,同时由于引弧时间非常短,作用于人体电流 的时间也非常短,触电时的危险性也大大降低。 早期的二次触电保护器是通过取二次侧信号来控制工作的。 由于安装接线比较繁琐,已基本停止生产。目前生产的大部分产 品,已采用

7、取一次侧信号的方法控制工作,接线非常容易。一些 产品还将漏电保护器与二次触电保护器的功能相结合,生产具有 漏电保护功能的二次触电保护器。 需要指出,初次使用二次触电保护器时可能会觉得引弧比较 困难,原因是由于引弧时电压有一个升压过程(一般小于0. 03 s) 。 此过程应尽量保持焊把和焊件的稳定,不应经常快速点击焊件引 弧,因此点击时电压还未升高或还未引弧,电路又断路,电压又下 降,不能达到引弧的目的。经过一段时期后,操作者是可以适应 这个引弧延时的。 4 结语 二次触电保护器确实具有防止电焊机二次触电伤亡事故发 生的作用,但不能因此而放松警惕。电焊设备必须严格执行有关 安全要求,操作人员必须

8、按安全操作规程进行作业,二次触电保 护器应加强检查,确保其能正常工作,以保证当一方面发生故障 时,另一方面能及时有效的起作用。 按建设部颁布的J GJ 施工现场临时用电安全技术规 范的执行,采用TN2S 系统,设置专用的保护零线,使用五芯电缆, 配电系统采用“三级配电两级保护”开关箱实行一机、一闸、一漏、 一箱。电线焊把钳绝缘良好,电焊机二次侧引出线宜采用橡皮绝 缘铜芯软电缆,其长度不宜大于30 m。加强职工的施工用电安全 教育,提高其自我保护意识。 参考文献: 1 施永贵. 浅谈项目安全管理J . 山西建筑,2006 ,32 (12) :1382 139. 2 刘国臣. 谈某工程施工现场安全

9、管理及安全预防J . 山西建 筑,2005 ,31 (5) :. 用于应急抢修的无电焊接技术及其应用 摘 要：介绍了无电焊接技术的工作原理、特点、发展现状、焊接工艺以及应用状况，分析了无电焊接材料焊缝的组 织形貌及焊接接头拉伸强度。指出：无电焊接技术焊接工艺简单，焊缝性能优良，应用广泛，具有良好的推广应用价 值。研制的无电焊接材料，焊缝组织、性能良好，具有潜在的应用前景。 关键词：自蔓延焊接；无电焊接；应用 0 引 言 野外作业、行驶的机械在使用中结构件、箱体、 管路等零部件难免出现的损伤与故障，比如裂纹、 孔隙跑、冒、滴、漏等，将严重影响机械的正常使 用。传统的应急维修方法如电焊、气焊、胶粘

10、等， 修理时需电、气和专用设备，或粘结固化时间长， 不能满足野外应急的使用需要。另外，在高空、地 下、水下等能源不方便供应的条件下，这些传统的 应急维修方法也无法施展。因此开发一种具有快 速、高效、节能的新型焊接技术，弥补传统焊接技 术的不足已显得非常必要。无电焊接技术正是在这 一背景下开发出来的。 1 无电焊接技术的原理及特点 无电焊接技术是一种新型焊接技术，它将先进 焊接材料制成专用手持式焊笔，焊笔一经点燃，不 需任何其它能量补充，仅依靠焊接材料燃烧放出的 热量就能进行焊接。即以化学反应放出的热为高温 热源，以反应产物为焊料，在焊接件间形成牢固连 接的过程。因焊接过程不使用外界能源，简称无

11、电 焊接，实质上是自蔓延技术与焊接技术相结合的一 种新型技术，属于自蔓延焊接技术的范畴，它具有 以下特点： (1) 焊接简单方便，工作效率高。无电焊接技 术焊接时不需要任何电源和其它设备；无需高压， 也无需保护性气氛，仅仅依靠混合粉末燃烧反应放 出的热量就能进行焊接，工作效率高；小巧轻便， 操作简单，单人即可完成。在紧急条件下，可快速 简便的对工程机械零部件损坏处进行焊接； (2) 焊接效果好，焊缝性能优良。无电焊接是 一种熔焊焊接，焊缝拉伸强度介于200300 MPa， 弯曲强度介于300700 MPa，冲击韧性介于1.6 5.5 Kgm/cm2，硬度介于120180 HRB，抗腐蚀性 要优

12、于45 钢等，能有效满足工程机械应急维修需要。 (3) 适用范围广。无电焊接技术可对工程机械 及各种野外作业机械的多种零部件进行焊接修理， 已经在水箱、油箱、水管、油管、排尘管、电瓶连 接线、拉杆等零件上进行了应用，焊接效果良好， 能够满足使用要求。 (4) 有一定的局限性。无电焊接技术目前只能 焊接5 mm 之内的零部件，且不能焊接铝合金。 2 无电焊接技术的发展 无电焊接技术属于自蔓延焊接技术的范畴，自 1967 年由前苏联科学家A.G.Merzhanov, Borovinskaya 和Shkiro 等人确立自蔓延技术以来1，自蔓延技术 与其它许多传统技术相结合形成了许多新型技术， 自蔓延

13、焊接技术属于其中一种2。自蔓延焊接技术 是在待焊接的两块材料之间添进合适的燃烧反应 原料，以一定的压力夹紧待焊材料，待燃烧反应过 程完成后，即可实现两块材料之间的焊接3。这种 焊接作为一种特殊焊接工艺，主要用于焊接 同 种或异种一般金属材料； 同种或异种难熔金属 材料； 同种或异种陶瓷材料； 同种或异种金 属间化合物；金属或金属间化合物与陶瓷材料 4-8。对于的应用研究较多且得到了广泛的应用, 对于则基本处于试验室研究阶段。而无电焊 接技术作为自蔓延焊接技术的一种，由于其焊接简 单、效率高、焊缝性能好、适用范围广等优点，目 前，国际上许多国家如俄罗斯、美国、日本、西班 牙和印度等国都在进行研究

14、和开发，其中俄罗斯由 于在自蔓延领域的起步较早，其无电焊接技术的研 究也相对较早，故它在无电焊接技术方面做出的贡 献最大，成果也相对较为成熟，它们对无电焊接产 品的生产已成规模化，其无电焊接材料主要有两 类：CuFe 类和CuFeNi 类，其中每类中各有3 个不同型号的焊接笔，焊接厚度从2.04.0 mm 不 等。国内虽然已有单位对此进行了类似研究，但技 术尚不成熟，没有推广应用。 3 无电焊接的焊接工艺 无电焊接技术是一种新型技术，其焊接工艺不 同于传统的焊接工艺。焊接时，如果焊接工艺没有 掌握好，将对焊接效果起到很大的影响作用。其焊 接工艺如下： (1) 取出焊接笔，用打火机点燃引信，将燃

15、烧 的焊接笔头部对准待焊部位，经过24 s 后在被焊 部位进行焊接，根据被焊材料的厚度沿焊道缓慢移 动，确保金属液充分滴落和覆盖在焊缝处，经过 2025 s 即可获得100150 mm 长的焊缝。 (2) 对于平面上的焊缝，焊接笔与平面呈不大 的倾角。焊接厚度大于1.5 mm 的金属板时，焊接 笔基本接触焊接平面；厚度小于1.5 mm 时，视厚 度大小，焊接笔高出1530 mm。 (3) 对于有一定倾角的焊接、立焊，则需使用 一定的模具才能进行。 (4) 待焊接结束，金属冷却后，轻轻敲掉焊缝 上的熔渣即可得到牢固的焊缝。 4 无电焊接材料研究 根据无电焊接技术的原理及其特点，全军装备 维修表面

16、工程研究中心最近研制了两种无电焊接 材料（CuFe01，CuFe02，其中CuFe01 焊接 2 mm 之内的金属零部件，CuFe02 焊接3 mm 之 内的金属零部件），同时对其焊缝（均焊接45#钢板） 的组织形貌及拉伸强度进行了分析测试。 4.1 焊缝组织形貌分析 图1 为焊缝与基体的组织形貌图。从图中可以 看出，基体（A 区）与焊缝（C 区）之间存在着明 显的过渡区（B 区），这主要是焊接时焊接笔通过 自蔓延放热反应放出大量的热量，使基材熔化，熔 化的基材与焊料金属液互溶，冷却后，在焊缝与基 体之间形成了明显的过渡区。对焊缝中的元素进行 了线扫描，可以发现，Fe 元素的含量从基体（A 区

17、） 到焊缝（C 区）逐渐减少，而Cu 元素的含量则从 基体（A 区）到焊缝（C 区）逐渐增大，而减少和 增大的过程正好体现在过渡区里（B 区），这说明 焊接时，Fe 元素和Cu 元素在过渡区内进行了相互 扩散，该过渡区就是焊接熔合区，这也说明该种自 蔓延焊接是一种熔焊焊接。 图2 为焊缝的组织形貌图。从图中可以看出， 焊缝组织不均匀，这主要是由于焊缝在进行结晶的 过程中，由于冷却速度很快，化学成分来不及充分 扩散，合金元素的分布出现不均匀，导致组织不均 匀。同时，从图上还可以看出，整个焊缝由多种物 质（如A、B）组成。通过对A、B 进行EDS 分析 以及焊缝表面的XRD 分析（见图3、图4），

18、得出 A、B 均由Cu、Fe 组成；XRD 分析表明焊缝中只 存在Cu 和Fe，没有生成新相。Cu 和Fe 由于原子 半径相近，很难相溶，难以形成金属间化合物，一 般情况下以固溶体的形式存在。根据CuFe 二元合 金状态图，焊接后，当焊缝冷却时温度降至1 480 时，开始析出Fe，当温度达到1 084.5 时， Fe 和液相Cu 包晶生成Cu（Fe）固溶体，该固溶 体中Cu 多Fe 少。当温度再下降，降至室温过程中， Cu（Fe）固溶体发生脱溶转变，析出Fe（Cu）， 这种物质中Fe 多Cu 少。由于焊缝中Cu 的含量超 过90 %，焊缝中Cu（Fe）固溶体应该是最多的， 由此推断A 是Cu（

19、Fe）固溶体，B 物质是Fe （Cu），Fe、Cu 含量不同而表现出不同的形状。 4.2 焊缝拉伸强度测试 图5 为焊接接头的拉伸强度图。从图中可以看 出，两种无电焊接材料焊接接头的拉伸强度超过280 MPa，均要高于A3 钢的强度，低于45 钢，这说明 该材料焊接接头的强度较高，原因在于该种焊接是 熔焊焊接，焊缝与基体以冶金结合方式进行结合。 这也说明它能够满足金属零部件应急维修需要。 5 无电焊接技术的应用 无电焊接技术使用范围广泛，在野外应急条件 下，可应用于工程机械金属零部件出现的断裂、缺 损、裂纹、孔洞以及管路、箱体的跑、冒、滴、漏 等的快速修理；还可使用于汽车、轮船和铁路运营 中的

20、修理和事故处理；也可使用于上下水管道、暖 气管道的修理；地震、矿井、石油井架及消防工作 的紧急救护；通讯、电网导线、输变电设备的焊接 处理；农机、农具的田间修理等等。 从2004 年4 月开始，全军装备维修表面工程 研究中心根据无电焊接技术的特点、技术性能指标 及工程机械和装备零部件材料、形状、尺寸、损坏 部位、损坏形式等因素，在部分工程机械和装备上 进行了实车焊接，焊接后，对所有焊接件的焊接效 果进行了检测，焊接效果均为良好，达到了使用要 求。 6 结 语 无电焊接是一种新型自蔓延焊接技术，焊接工 艺简单，焊缝性能优良，应用广泛，具有良好的推 广应用价值。研制的无电焊接材料，焊缝组织、性 能

21、良好，具有潜在应用前景。 参考文献： 1 Merzhanov A G. Self-propagating High-temperature Synthesis: Twenty Years of Search and Findings M. In: Combustion and Plasma Synthesis of Hightemperature Materials, Ed by Munir Z A. VCH. New York: 1990. 2 Li S J. Jioning of SiC Ceramics to Ni-Based Superalloy with Cu Intermediate Layer J. Ke