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        鋁合金焊接管道X 射線探傷工藝改進研究

        2010-12-08 08:52:36魏兆中
        關(guān)鍵詞:黑度夾渣底片

        魏兆中

        (開封大學(xué),河南 開封 475004)

        0 引言

        在空分設(shè)備中,鋁合金材料是一種較常用的工藝材料。 鋁材的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)分別為鋼的2 倍和4 倍,焊縫凝固時體積收縮率達6.6%[1],加上高溫強度低、塑性差,導(dǎo)致鋁焊縫在焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、夾雜和氣孔等缺陷。 鋁合金材料本身的特點以及空分裝置生產(chǎn)工藝的特殊性,決定了鋁合金管道的脫脂加工、組裝、焊接,探傷等工藝和要求都與一般碳鋼材料有所不同。

        目前,國內(nèi)空分設(shè)備中常用的鋁合金管道主要采用國產(chǎn)LF 系列鋁合金,有彎頭類、直管類,而且用得最多的是直管類。 管道縱向?qū)雍缚p普遍采用單面手工氬弧焊雙面成形技術(shù),開封地區(qū)主要采用縱焊縫雙人雙面同步氬弧焊技術(shù)。 雙人雙面同步氬弧焊技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、焊縫成形好、焊接缺陷少的優(yōu)點。 筆者在開封空分集團從事無損探傷工作期間,接觸到大量鋁合金焊接管道的射線照相檢驗。為保證檢驗靈敏度和缺陷檢出率,同時提高生產(chǎn)效率,對鋁合金管道焊縫的射線探傷工藝進行了一些試驗研究。

        1 鋁合金管道焊縫常見缺陷分析

        鋁合金直管類管道一般壁厚為6 mm 或8 mm,管徑為200~250 mm 不等,長度多為1500 mm。 由于采用雙面同步施焊,故不開破口,留有2~3 mm 間隙,具體的焊縫結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 雙面同步施焊的鋁合金管道焊縫常出現(xiàn)氣孔、夾渣(JB4730-2005 稱為圓形缺陷、條形缺陷)、未焊透、未熔合、裂紋、夾銅等焊接缺陷[2]。

        圖1 鋁合金管道縱焊縫結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Aluminum alloy pipeline vertical welding structure

        1.1 氣孔

        氣孔是鋁合金管道焊縫最常見的缺陷。 這是由于鋁合金焊接時,氧化鋁薄膜容易吸附較多的水分,促使焊縫生成氣孔。 同時,鋁在液態(tài)時能大量吸收和溶解氫(在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069 ml/g,而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g, 前后相差近20倍),由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大,金屬結(jié)晶加快,焊接熔池在快速冷卻過程中,氫的溶解度急劇下降,此時析出大量過飽和氣體,來不及析出的氫氣在焊縫金屬中形成氣孔。 平焊時產(chǎn)生氣孔較多,但雙面同步施焊是采用立焊的操作方式,故氣孔較少。

        氣孔在底片上的影像是黑色圓點,也有的是黑線(線狀氣孔)或其他不規(guī)則形狀,其輪廓比較圓滑,黑度中心較大,至邊緣稍減小。 氣孔可發(fā)生在焊縫的任何部位,例如,單面焊根部線狀氣孔、雙面焊根部鏈狀氣孔、焊縫中心線兩側(cè)蟲狀氣孔是發(fā)生部位與氣孔形狀有規(guī)律對應(yīng)的典型例子。

        1.2 夾渣

        由于鋁和氧的親和力很強,在常溫下,鋁表面就能被氧化成厚度約0.1~0.2 um 致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密,能防止金屬的繼續(xù)氧化,對自然防腐有利,但它也給焊接帶來了困難。這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右),比重約為鋁的1.4 倍,在焊接過程中,會阻礙金屬之間的熔合,易形成夾渣。 夾渣多出現(xiàn)在焊縫中心部位,呈細小顆粒狀,有時連成一線。

        1.3 未焊透

        未焊透即焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象,按坡口形式可分為單面焊未焊透和雙面焊根部未焊透。 未焊透的原因是焊接參數(shù)選擇不當(dāng),如焊接電流太小、運條速度太快、焊條角度不當(dāng)或電弧發(fā)生偏吹以及坡口角度或?qū)娱g隙太小等。

        未焊透在X 射線底片上呈連續(xù)或斷續(xù)的較規(guī)則的黑線。 由于未焊透形成的部位不一致,或其間伴有夾渣、氣孔,黑度變化可能深淺不一。對于單面焊,未焊透都分布于焊縫根部,雙面焊則于中間交接處。 由于接頭母材的加工面未被完全熔透,因此缺陷邊界清晰。

        1.4 未熔合

        未熔合缺陷多屬焊接時氧化膜或銹未清除干凈、熱輸入不足、操作技術(shù)不當(dāng)所致,在X 射線底片上常模糊不清。 只有當(dāng)射線透照方向垂直于未熔合面時,才有較深的黑化度,顏色深淺較均勻。 層間未熔合多出現(xiàn)在厚板多層焊的焊縫中,其特征與片狀夾渣相近。 邊緣未熔合在正常照相底片上位于焊縫寬度約1/3 處,多呈月牙形,外邊平直,內(nèi)側(cè)呈弧形,黑度逐漸變淺。當(dāng)沿坡口方向透照時,未熔合處呈黑色條紋,分布于焊縫與母材交界處,較易發(fā)現(xiàn)。

        1.5 裂紋

        在鋁合金焊接過程中,由于材料的種類、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的不同,焊接接頭中可能出現(xiàn)各種裂紋,其形態(tài)和分布特征都很復(fù)雜。 根據(jù)裂紋產(chǎn)生的部位,可分為焊縫金屬中的裂紋(包括縱向裂紋、 橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋)和熱影響區(qū)的裂紋(包括焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋)兩種形式。 底片上裂紋的典型影像是輪廓分明的黑線,通常情況下黑線有微小的鋸齒、分叉,粗細和黑度有變化,線的端部尖細,端頭前方有絲狀陰影延伸。

        1.6 夾銅

        夾銅缺陷主要在焊縫表面, 是因操作失誤引起的。 在X 射線底片上多呈圓點、線性,比較容易發(fā)現(xiàn)。

        2 鋁合金管道焊縫射線探傷方法

        根據(jù)JB/T4730-2005 的規(guī)定:對直徑200 mm及以上管子,接縱焊縫采用單壁單投影透照。 由于單根管道探傷效率低,現(xiàn)在改為多根管道同步探傷。以下以厚8 mm 的鋁管為例,對該方案進行探討。

        2.1 透照參數(shù)的選擇

        透照參數(shù)的選擇如表1 所示。

        表1 射線機及其透照參數(shù)表Table 1 Ray machine and transillumination parameters

        2.2 透照方式

        采用單根管道透照時,焦距1200 mm,可以1 次拍攝2 張,背面用托板支撐,如圖2 所示。

        圖2 單根管道透照時底片固定Fig.2 Fixed negative of single pipeline transillumination

        此時,透照厚度比:K=δ'/δ=1200/(1200-8)=1.007,遠小于JB/4730.2-2005 要求(縱縫A 級、AB 級K 值不大于1.03),符合國家要求。 根據(jù)幾何不清晰度公式Ug=T*d/(F-b),隨著焦距F 的增大,Ug愈來愈小,即缺陷圖像更加清晰。

        在實施5 個管道同時透照時,需要按照圖3 所示,預(yù)先制作管道專用透照支撐模具(木質(zhì)),并在管道中心與射線源焦點的直線上, 刻出每個位置的旋轉(zhuǎn)指示,以方便固定管道。 由于丹東XXG-1005 機器在40°輻射范圍內(nèi),可視為等強度放射,故應(yīng)充分利用射線范圍,實現(xiàn)最大的透照范圍,減少射線的浪費。 當(dāng)焦距為1 200 mm 時,沿圓弧方向可以擺放5根管道進行拍照(如圖3 所示)。

        2.3 底片質(zhì)量

        經(jīng)過上述固定條件的沖洗處理,底片上焊縫黑度為2.0~2.8,母材黑度為2.5~3.8,像質(zhì)計可清晰讀出14#,完全符合JB/T4730-2005 的要求。

        3 結(jié)語

        圖3 5 根管道同時透照方式Fig.3 Way of five pipeline's transillumination at the same time

        采用5 根管道同時透照,不但可以拍出理想的底片,而且一次開機可以拍照10 張底片,不僅提高了工作效率,更重要的是大大減少曝光量,從而減少對環(huán)境的影響。 如果有條件使用周向機,效率將進一步提高。

        [1] 張兵.冷箱中鋁合金管道的焊接及無損檢測[J].石油化工設(shè)備,2003(3):44-45.

        [2] 陳軍.鋁合金管道對接焊縫的射線探傷[J].無損檢測,1998(12):350-351.

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