焊接接头的应力腐蚀开裂及防护1111111.doc

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

2、裸露部分,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

3、电焊机二次侧工作电 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

4、的,因 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

5、保护器。焊条和焊件接触时, 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

6、压下降到安全电压。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

7、部分产 品,已采用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

8、全要求,操作人员必须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 4622005 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 1

9、39. 2 刘国臣. 谈某工程施工现场安全管理及安全预防J . 山西建 筑,2005 ,31 (5) :1362137. 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

10、响机械的正常使 用。传统的应急维修方法如电焊、气焊、胶粘等， 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

11、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

12、 Kgm/cm2，硬度介于 120180 HRB，抗腐蚀性 要优于 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

13、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

14、 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

15、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

16、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

17、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） 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

18、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） ，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，

19、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（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

20、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

21、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. Ne

22、w York: 1990. 2 Li S J. Jioning of SiC Ceramics to Ni-Based Superalloy with Cu Intermediate Layer J. Key Engineering Materials, 2002, 27: 101-110. 3 殷声. 燃烧合成 M. 北京：冶金工业出版社，1999. 4 Rabin B H , Korth G E , Williamson R L. Fabrication of titanium carbidealumina composites by combustion synthesis and su

23、bsequent dynamic consolidation J. Journal of American Ceramic Society, 1990,72(7): 2156-2157. 5 Moore T J, et al. Joining NiAl using simultaneous comstion synthesis and pressure J. Scripta Metallurgica et Materialia, 1994, 30(4):463-468. 6 朱丹平, 刘伟平. 加压燃烧原位合成 NiAlNi 连接 Ni 基高温合金 J. 焊接, 2000,(3):14-16. 7 Miyamoto Y, Nakamoto T, Kiozumi M. Ceramic to metal by a pressurized combustion reaction J. Journal of Material Re2search,1986,1(1):7-9. 8 孙德超, 柯黎明, 邢丽, 等. 陶瓷与金属梯度过渡层 的自蔓延高温合成 J. 焊接学报, 2000,21(3): 57- 62.