氩弧焊攻克大直径铜管焊接QC成果

中国************工程铜管焊接QC小组成果采用氩弧焊攻克大直径铜管焊接难题中国**一建公司****项目铜管焊接QC小组目录一、工程简介二、小组概况三、选题理由四、现状调查五、活动目标六、可行性分析七、因果分析（第一PDCA）八、要因确认（第一PDCA）九、要因对策（第一PDCA）十、实施十一、实施效果（第一PDCA）十二、总结及存在的问题十三、因果分析（第二PDCA）十四、要因确认（第二PDCA）十五、主要对策（第二PDCA）十六、实施十七、实施效果（第二PDCA）十八、总结十九、存在问题二十、铜管焊接大纪事一、工程简介空分置位是中国*************工程公用工程的一部分，包括**装置、老区**厂第二循环水场改造及总变改造三部分，**装置为新建两套空分设施，一套制氧能力6000Nm3/h、制氮能力18000Nm3/h、制氩能力180Nm3/h；另一套制氧能力6000Nm3/h、制氮能力18000Nm3/h。两套空分设施工艺流程相对独立，共用一套产品存储及外送系统。**装置主要由空压系统、预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、产品存储及外送系统5个部分组成。总占地面积为19656m2；装置主要为***炼油、化工各装置、动力站及辅助设施提供生产所需的氮气、氧气以及施工用氩气。由****设计院设计。为确保该装置安全运行，设计单位在该装置氧气管线的产品存储区入口和氧气压缩机的出口部位上分别设置了阻火器，即由一个长度720mm，规格为φ219×10mm的紫铜管与铜法兰焊接而成，再与不锈钢法兰连接，目的在于防止氧气在管道内运行时由于磨擦而产生火花。由于公司从未焊过这么大规格铜管，铜管的焊接成为项目施工的一个难点。由于几次外委未能焊接成功，为此项目成立了铜管焊接攻关小组。二、小组概况小组名称*****项目铜铜管焊接QC小组注册时间2006.9.225小组人数7活动起止时间2006.9.225－11.20注册编号活动次数6培训时间60小时小组类型攻关型出勤情况98%序号姓名性别年龄文化程度职务/职称组内职务1杨**男44大专QA/QC经理工程师组长2丁**男36大专QA/QC部组员3尹**男30技校电焊组员4贾**男40大专电气技术员组员5徐**男62本科专家顾问6聂**男30本科焊接工程师顾问7于**男36本科焊接工程师顾问确保铜确保铜管焊接成功公司无铜管焊接的焊工，通过这次焊接可以锻炼和提高焊工焊铜的技术水平铜管焊接难度大，焊接拍片合格率极低，通过铜管焊接可为公司积累经验。选题理由为保证氧气管线安全运行，必须完成铜管焊接任务，以保证施工符合设计和使用要求；保证**装置顺利投产，为公司争得信信誉；.四、现状调查由于****项目从未焊接过铜管，公司也仅仅只有过小于Φ60×3mm铜管的焊接经历，从无这样大且要求RT检测铜管焊接经历；一开始项目是外委加工，先后与*****设备研究所、**钢厂、****公司等多家单位联系，只有*****设备研究所和***钢厂同意把铜管拿去试试，因为他们也未焊过这样大的铜管，但两家焊接均未取得成功，主要是焊接裂纹无法克服。只好将铜管与法兰退回***项目部。在此情况下项目决定自己进行铜管焊接攻关，并成立铜管焊接攻关小组，小组成员立即对上两次外委焊接的情况及公司焊接铜管的现状进行了调查：调查一***设备研究所：他们采用先采用火焰（氧乙炔）预热并用气焊（氧乙炔）的方法进行试验，但仅熔化了焊丝，无法与母材熔合。改用火焰（氧乙炔）预热，手工氩弧焊的方法进行焊接，但焊接裂纹产生的较多，无法满足焊接工艺要求，焊接失败；调查二***钢厂：他们也是采用火焰（氧乙炔）预热，手工氩弧焊的方法进行焊接，预热温度相对于***设备研究所有所提高，但焊接过程中仍无法消除焊接裂纹，不能满足焊接工艺的要求，焊接未能成功；调查三：通过公司焊培中心对公司有关铜焊接的情况进行了咨询，公司有人焊过铜管，也成功了但采用是火焰（氧乙炔）预热并用气焊（氧乙炔）的方法进行焊接。而且管径小管壁薄；调查四：查阅相关资料有采用氩弧焊焊接铜板（最大厚度δ=8mm）成功的案例；通过调查和了解小组成员认真的对调查的情况进行了对比分析：调查结论：小组成员通过现状调查后认为：消除铜管焊接裂纹是可能的，关键在于采用什么方式进行预热和应用什么样的氩弧焊焊接参数进行焊接。五、活动目标运用电加热控制预热温度，采用氩弧焊进行焊接以确保铜管焊接成功；六、可行性分析★在外委焊接时，积累了铜管焊接的经验教训，为项目攻关提供了依据；★从项目的焊工实力上看，有从事焊接工作多年高水平的氩弧焊焊工；★从施工机具上分析项目有焊接设备、有热处理设备及相关的设备操作及维护人员；★从焊接工艺上分析虽说公司无类似铜管焊接的经验，但铜管的焊接工艺要求公司有这方面的专家，可以咨询；★从焊接难度上分析焊接紫铜比焊接钢难度要大得多，当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。因此焊接紫铜的工艺参数中的母材预热温度和焊接电流将是我们攻关的重点控制项目。根据现状调查和可行性分析，小组成员采用关联图法对铜管焊接产生裂纹的原因进行了分析：从铜材料本身；预热方法和保温措施；焊接设备和方法；焊工技能；焊接参数等方面。铜管的焊接在厂房内进行，环境对铜管的焊接影响很小。我们小组的主要活动目标是采用氩弧焊消除铜管的焊接裂纹缺陷。七、因果分析（第一次PDCA）铜焊接难度大易产生焊接缺陷铜焊接难度大易产生焊接缺陷铜管焊接容易产生裂纹，质量难以保证加热方式不当火焰加热，预热不均匀工人技能低经验不足缺少培训热输出能量小采用的是普通氩弧焊设备和工具铜熔化后流动性大不易控制焊接参数难确定焊接电流太小焊接速度不能掌握预热偏低且无保温措施预热温度无法控制八、要因确认（第一次PDCA）序号末端因素要因确认结论1铜熔化后流动性大不不易控制铜熔化后流动性好好，打底过程厚厚度难以保证证，易产生拉裂，进行技技术咨询核查资料主要原因2火焰加热，预热不均匀加热方式不当，无无法控制预热热温度，预热热温度忽高忽忽低，主要原因3经验不足缺少培训训我们无相关类似铜铜管焊接施工工经验和焊工工培训，应请请专家对焊工工进行培训次要原因4采用的是普通氩弧弧焊工具焊把（φ2.5mmm钨极）电电流比较小，热热输出能量小小，不易焊接接次要原因5焊接电流太小铜的热导热率比碳碳钢大7-11倍，填充金金属和母材也也不能很好地地熔合，产生生裂纹，在焊焊接中调试电电流，确定最最佳电流次要原因6预热温度太低紫铜的对接接头预预热温度低，且无相应的的保温措施，冷冷却过程极易易产生裂纹主要原因7焊接速度不能掌握握教育督促操作人员员及时掌握焊焊接速度次要原因九、要因对策（第一次PDCA）序号要因目标对策措施负责人完成时间工作地点1铜熔化后流动性大大不易控制控制铜熔化后流动动性在铜管内侧加衬垫垫在焊接前，制做小于于铜管内径的的20×2mmm的不锈钢圈圈，防止铜水水从根部溢出出小组全体成员2006.9.330***项目现场2火焰加热，加热方方法不当改变加热方法采用可控电加热焊前用带缠绕铜管管表面小组全体成员2006.9.330***项目现场3预热偏低且无保温温措施提高预热的温度范范围到500℃左右用电加热控制预热热温度在铜管表面设置热热电偶进行预预热温度控制制，保证预热热均匀，并采采用岩棉保温温杨***丁**尹**2006.9.330***项目现场.十、实施1.在铜管内侧加衬垫后，有效防止铜管焊接过程中铜水在焊缝根部的溢出，保证第一层熔敷金属的厚度，防止了冷却时产生的应力裂纹。2.采用可控电加热方式后，能在铜管焊接过程中保证预热温度和层间温度持续稳定地在设定的温度范围内。但在焊接铜管的过程中，我们发现采用外加热时，铜管转动易导致电加热带的导线断裂，加热方式进行了改进（如图所示），采用内加热。3.通过预热温度的提高和相应的保温措施，有效保证了铜管在焊接过程中母材与焊材熔合，防止温度冷却过快，产生的裂纹。4.焊接紫铜焊把用φ3.2mm钨极熔化，产生夹钨，改为φ4.0mm钨极焊接过程中钨极烧损严重。十一、实施效果（第一次）通过以上四项措施的实施，顺利完成首个铜管焊缝的焊接，进行外观检查，在焊缝的根部和表面未发现裂纹。对外观打磨清理后也未发现可见焊接缺陷。进行RT检测时，发现6张底片均无焊接裂纹，但存在不同程度的气孔。铜管的焊接我们不断摸索，防止了铜管焊接产生裂纹缺陷的出现。取得了预订的目标后，又出现新的焊接缺陷——气孔，为此我们QC小组进行了第二次PDCA循环。十二、总结及存在问题（第一次PDCA）当缺陷出现时，首先应分析缺陷产生的原因，针对分析出的原因提出相应的解决办法并进行比较，从而选出较好的方案。经采用上述几项措施后，有效消除了焊接裂纹，我们取得了预想的效果。但是焊接中又出现了气孔，焊缝质量仍不符合规范要求，所以我们小组进行第二次PADC循环。目标：减小铜管焊接气孔的产生。十三、因果分析（第二次PDCA）人员没有培训铜管焊接没有任何经验对铜管焊接材料不了解铜管焊接方法焊机种类多铜管量少，不可能买专用焊机用一般焊机焊铜人员没有培训铜管焊接没有任何经验对铜管焊接材料不了解铜管焊接方法焊机种类多铜管量少，不可能买专用焊机用一般焊机焊铜，设备性能差焊缝坡口角度影响铜管焊接时易产生气孔Ar气纯度不够，保护效果不好。气孔与氧又有很大关系焊接过程中施工场地没有采取有效的清洁保证措施对铜管焊接方法不了解焊接工艺不够正确机施工机具配置不足法人铜焊接时，产生气孔，不能达到质量要求铜焊接时，产生气孔，不能达到质量要求预热温度过低预热温度过低焊工操作不能按工艺进行线能量过大焊工操作不能按工艺进行线能量过大焊接条件存在诸多不利因素焊接条件存在诸多不利因素料材料存在一定缺陷料材料存在一定缺陷环环十四、要因确认（第二次PDCA）序号因素要因确认是否要因备注1铜管焊接没有任何何经验铜管焊接在我公司司内首次采用用，无任何类类似经验可供供借鉴Yes√2对铜管焊接方法不不了解焊接铜的方法有气气焊、手工碳碳弧焊、手工工电弧焊和手手工氩弧焊等等方法，对铜铜管焊接方法法不够熟悉。No3对铜管焊接材料不不了解采用的焊丝有丝2201(特制紫铜焊焊丝)和丝202，也采用紫紫铜丝，如T2。No4铜管焊接方法及焊焊接种类多焊接种类多，电源源可采用直流流正接，也可可以采用交流流No5铜管量少，不可能能购买专用焊焊机焊接铜管量只有二二道环缝，不不可能购买专专用焊机，采采用普通的焊焊机进行焊接接。No6用一般焊机焊铜，设备性能差差采用普通的焊机进进行焊接，成成型不好，影响响铜焊接质量量。No7焊缝坡口角度影响响按照焊接工艺评定定要求和设计计要求进行坡坡口加工不影影响焊接质量量No8焊接预热温度过低低综合考虑，提高预预热温度Yes√9焊接线能量过大焊接速度太慢，没没有多层多道道，导致线能能量过大Yes√10焊工操作不能按工工艺进行对焊工没有进行交交底，没按焊焊接工艺进行行Yes√11铜管焊接本身容易易产生气孔铜的热导率比钢大大八倍以上，熔熔池结晶速度度比钢快得多多，使得气体体逸出条件变变得恶劣，因因此铜及铜合合金产生气孔孔的倾向增大Yes√12Ar气纯度不够，保护护效果不好。Ar气纯度不够，达不不到保护效果果，容易产生生气孔Yes√13气孔与氧又有很大关系若裂纹继续加大，极极易产生断裂裂Yes√14焊接过程中在焊接接设备中没有有采取有效的的水冷系统在氩弧焊机中加水水循环系统，确确保氩弧焊把把钨极烧损控控制，减少焊焊接过程中钨钨极喷钨，减减少因喷钨造造成的气孔产产生Yes√十五、主要对策（第二次PDCA）序号要因对策目标措施地点完成时间实施人1铜管焊接没有任何何经验查资料和调查研究究，了解铜焊焊接正确理解铜焊接的的各道工序及及注意事项由焊接专家进行技术术交底，并多多次召开专题题会讨论具体体施工方案***项目现场2006.10..10—2006.100.20小组全体成员2焊接预热温度过低低调节预热温度顺利实现预热温度度达到工艺要求增加加热片和热电电偶***项目现场2006.10..10—2006.100.20丁**尹**3焊接线能量过大控制影响线能量的的电流，电压压和焊接速度度消除线能量对产生生气孔不利影影响采取多层多道、快快速焊。***项目现场2006.10..10—2006.100.20小组全体成员4焊工操作不能按工工艺进焊接要求焊工认真学习习，并和焊接接专家积极沟沟通确保焊工按焊接工工艺要求焊工焊接必须按焊焊接工艺要求求施焊。***项目现场2006.10..10—2006.100.15尹**5铜焊接过程中容易产产生气孔为了消除气孔，保保证焊缝根部部可靠的熔合合和焊透，必必须提高焊接接速度，减少少氩气消耗量量防止氢气孔焊前应对工件焊接接边缘和焊丝丝表面的氧化化膜、油等脏脏物都必须清清理干净***项目现场2006.10..10—2006.100.20尹**6Ar气纯度不够，保护护效果不好。选用高纯度Ar气气确保Ar气保护效效果选择供货信誉好生生产厂家，同同时对到货的的Ar气纯度进行检验验。***项目现场2006.10..15—2006.100.20丁**7气孔与氧又有很大大关系防止空气中的氧减小熔池中的铜氧氧化防止在高温时铜与与液态金属中中的氧生成CuO2，CuO2又会与熔池池中的氢或CO发生以下反反应：CuO2+2H=22Cu+H22CuuO2+CO=22Cu+COO2生成的H2、COO2如果不能逸逸出熔池，就就会产生气孔，焊接前提前前送Ar气，焊后滞滞后断Ar气***项目现场2006.10..10—2006.100.20小组全体成员8焊接过程中在焊接接设备中没有有采取有效的的水冷系统采用水冷式氩弧焊焊把控制焊炬的温度，防防止钨极过热在焊接时，采用循循环冷却水对对氩弧焊把进进行降温处理***项目现场2006.10..10—2006.100.20杨***丁**十六、实施按我们小组分析的八项措施进行焊接，同时将钨极直径增大到φ5.0mm，焊接中焊把易烧坏，最后采用水冷式钨极氩弧焊把（φ5.0mm）并进行循环冷却水对氩弧焊把降温处理，焊接出现气孔机率又降低不少。十七、实施效果（第二次PDCA）铜管的焊接顺利完成；铜管焊接的无损检测全部合格；铜管焊接后安装的水压试验和气密试验全部合格；小组成员和一些施工骨干人员均掌握了铜管焊接要领和注意事项；业主、***工程师及监理对铜管的焊接非常满意，验收全部一次通过。十八、总结影响紫铜焊接的因素很多，紫铜TIG焊焊接参数十分重要，紫铜的导热性很强，焊前焊件需要预热。预热温度范围达300-700℃，具体视焊件形状、尺寸和焊接方法及所采用的焊接工艺参数来确定预热温度，而且应保证充分均匀地预热焊件。焊接电流选择虽主要取决于焊件厚度，但还与焊件预热、钨极的直径、衬垫的种类、焊件结构与尺寸有关。对某一具体接头预先确定准确的焊接参数是很困难的，焊接参数还需通过试验决定。通过QC活动，我们基本掌握了紫铜的焊接，为以后的铜焊接施工积累了一定经验。十九、存在问题1.取得成果铜管的焊接预热铜管焊接预热是铜管焊接的重要因素，铜管的焊接预热温度确定十分关键，我们经过二次循环和不断地改进预热工具，确定了最佳温度为560℃。基本掌握了本次铜管焊接的预热参数和预热方法，达到了预期目标。2.遗留问题铜管焊接气孔不易控制铜焊接气孔主要是扩散气孔和反应气孔。氢在液态铜蒸发前的极限溶解度与液-固转变时的最大溶解度比值为3.7，即高温熔池极易吸收氢；另一方面，铜极强的导热性使其液-固转变时间极短，气孔扩散和上浮的条件也极其有限，所以气孔敏感性大，很难完全消除铜焊接气孔，这有待后续施工中尽一步解决处理。二十、铜管焊接大纪事1.前期准备针对缺乏铜管焊接经验的情况，从2006年9月25日成立QC小组之日起，小组全体成员就开始积极寻找相关资料，认真学习铜管焊接的相关内容，很快便熟悉了整个焊接施工步骤，初步摸清了焊接过程的具体细节；1.铜焊接易产生裂纹铜焊接接头的热裂倾向大。这是因为铜中含有钕和铅元素，分别在270℃和326℃时与铜形成低熔点共晶体，分布在铜的晶界处。焊接时，这些低熔点共晶体结晶晚，易使焊缝开裂，造成热脆性。另外氢也是产生裂纹的原因之一。在焊接过程中氢难免也要进入熔池参与反应。氢还能还原晶界上的CuO2而形成不熔于铜的水蒸汽，产生很高的氢气压，常常引起裂纹。用砂轮打磨裂纹时发现裂纹处同时存在气孔，这可能是焊接时铜管的氧化物落于焊缝中造成的。以上分析了裂纹产生的原因。那么，如何防止裂纹产生，便是焊接实践中主要解决的问题。我们小组第一次PADC循环主要是防止铜管焊接的裂纹缺陷产