梁 劍

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021

鋁及鋁合金管道全位置單面焊加內(nèi)襯墊焊接施工

梁 劍

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021

闡述了鋁及鋁合金管道焊接，引入發(fā)明的一種實(shí)用新型管道焊接內(nèi)襯墊彈性裝置的專利產(chǎn)品（專利證書號(hào)：ZL201020269019.3），由于采用的襯墊材料加入了氧化鋁纖維氈，焊接過程中不會(huì)和母材發(fā)生反應(yīng)，所以是一種可以方便地安放在管道焊接焊口內(nèi)側(cè)，并在管道焊口焊接完成后方便取出的襯墊裝置。

管道 焊接 襯墊

我公司在一些空分裝置施工中，有大量鋁鎂合金管道。鋁及鋁鎂合金在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，液態(tài)鋁的流動(dòng)性能好，在焊接時(shí)焊縫金屬容易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。為了保證焊透而又不致塌陷，焊接時(shí)常采用墊板來托住熔池及附近金屬（墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個(gè)圓弧形槽，以保證焊縫反面成型）。

針對(duì)大量鋁鎂合金管道的焊接，我們提出一種管道焊接內(nèi)襯墊彈性裝置，一種可以方便地安放在管道焊接焊口內(nèi)側(cè)，并在管道焊口焊接完成后方便取出的襯墊裝置。墊板采用石墨加工扇形支撐塊（支撐環(huán)板），表面包覆2mm厚的一層氧化鋁纖維氈，在石墨支撐環(huán)板之間彈簧的彈性壓力下保證焊縫反面成型，還保護(hù)了管材本身不受損傷。經(jīng)實(shí)際施工測(cè)算，使用本管道焊接內(nèi)襯墊焊接時(shí)間縮短為原耗時(shí)的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，既節(jié)能又環(huán)保。

1 鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn)的分析

（1）鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化鋁熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜可吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。

（2）鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。

（3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5%時(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動(dòng)性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅5%～6%時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而采用硅含量4.5%～6%焊絲會(huì)有更好的抗裂性。

（4）鋁對(duì)光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)沒有明顯的色澤變化，焊接操作時(shí)判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。

（5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對(duì)氫的來源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形成。

（6）合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。

（7）母材基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱會(huì)使熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降。

（8）鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細(xì)化晶粒。

2 鋁合金管道全位置單面焊加內(nèi)襯墊焊接施工過程研究

2.1 焊接方法

鋁及鋁合金對(duì)各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用，針對(duì)上述鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn)的分析采用惰性氣體保護(hù)焊（TIG或M IG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。工程施工采用手工TIG焊接。

2.2 可以采用的襯墊材料分析

2.2.1 金屬墊

（1）永久性金屬墊：由焊件同種材做成，焊接后永久地留在焊件上，用于要求不高或者使用條件允許的結(jié)構(gòu)。在以往施工的50萬(wàn)t合成氨的低溫液氮洗工藝管道中鋁合金管道焊接主要采用的是內(nèi)襯316不銹鋼的永久性內(nèi)襯墊，316不銹鋼機(jī)械加工困難，其施工成本較高。

（2）臨時(shí)性金屬墊：通常由刨成圓弧形成凹槽的紫銅塊做成,有固定或移動(dòng)式兩種,前者長(zhǎng)度較大,一般不需要水冷；后者長(zhǎng)度較短需要水冷，用于各種黑色金屬自動(dòng)電弧焊。在鋁等有色金屬自動(dòng)電弧焊時(shí)，則可采用普通碳鋼或不銹鋼條作為臨時(shí)性金屬墊。

2.2.2 焊劑墊

用普通埋弧焊劑或?qū)Ｓ靡r墊焊劑及槽鋼、橡皮墊等構(gòu)成的焊劑墊主要用于埋弧焊。

為了保證熔池不流失和背面焊縫成形均勻性，襯墊應(yīng)貼緊焊縫背面。為克服裝配時(shí)錯(cuò)邊誤差和焊接變形影響，襯墊一般都要有適當(dāng)?shù)膲壕o措施以保證產(chǎn)生均勻的外部承托力。

2.2.3 陶瓷襯墊

陶瓷襯墊強(qiáng)制成型單面焊，施焊方便，由于陶瓷襯墊對(duì)坡口根部間隙不敏感，襯墊長(zhǎng)度可任意接長(zhǎng)、剪短，尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫。由于在焊接時(shí)，襯墊也參與了焊縫熔敷金屬的冶金反應(yīng)，對(duì)根部焊縫熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，尤其是對(duì)根部沖擊韌性的影響，鑒于目前尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)給予足夠的重視，本工程沒有考慮采用。

2.3 焊縫成形焊接及其應(yīng)用條件

在一定條件下，可以做到單面焊雙面成形焊縫。焊縫背面處于自由狀態(tài)焊縫又全部焊透時(shí)，熔池將完全依靠熔化金屬跟熔池壁之間的表面張力。得到承托的理想熔池形狀條件下，熔池保持穩(wěn)定的平衡條件為：

式中：r——熔池液體金屬密度；

H——熔池深度；

B——熔池寬度；

σ——表面張力系數(shù)；

P——電弧對(duì)單位長(zhǎng)度焊接熔池的總壓力。焊接方法焊接材料表面張力系數(shù)/（10-3N·m-1）一次成形最大厚度/mm（鋁840 4～5）。

2.4 石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊的研制

電弧功率較大或管壁厚超過一定數(shù)值時(shí)，熔池不能依靠表面張力保持穩(wěn)定，可采用背面襯墊承托方法來保持單面焊雙面成形時(shí)的熔池穩(wěn)定的焊縫成形。改用墊板帶進(jìn)行焊接就不再需要封底了，焊前把墊板帶貼到焊縫背面，從正面進(jìn)行焊接，可以做到單面焊雙面成形,而且焊質(zhì)量可靠實(shí)用。但是這種墊板帶在大直徑管道的焊接中應(yīng)用可以采用人工進(jìn)入安放固定以及焊接完畢后人工拆除，在小直徑管道焊接和管道彎頭部位采用整體金屬內(nèi)襯墊或陶瓷襯墊。

整體內(nèi)襯墊施工中安放、固定以及拆除都有一定困難，甚至于拆不出來。為此我們根據(jù)全位置管道焊接，鋁及鋁合金融化流淌在360°范圍內(nèi)，不同的焊接方位流淌的方式與量的不同，向上焊與向下立焊的流淌不同，在焊接內(nèi)襯墊的結(jié)構(gòu)形式和外型上進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。本裝置由金屬?gòu)椈?、石墨扇形支撐塊、表面包覆用的2mm厚氧化鋁纖維氈（也可以不用）。首先根據(jù)不同管道直徑按照比管道內(nèi)徑小5mm的圓形進(jìn)行加工。例如制作一個(gè)適用DN200mm的管道焊接內(nèi)襯墊：

（1）將厚度50mm的石墨在車床室加工制成直徑為195mm的圓柱體，并按120°切割成3塊，在每塊120°扇形塊上距圓弧20mm三角形布置鉆3個(gè)直徑5mm的通孔，以備安裝支撐彈簧和拆卸用的細(xì)鋼絲繩拉線。

（2）用直徑4mm高碳鋼絲焊制一個(gè)穿在三塊扇形塊上能保持形成一個(gè)直徑略大于195mm圓徑的彈性保持支架。管道焊接內(nèi)襯墊的結(jié)構(gòu)組對(duì)，將高碳鋼絲焊制的圓徑彈性保持支架，穿在三塊扇形塊上，保持形成一個(gè)直徑略大于195mm的圓形（三根鋼絲繩拉線從三塊扇形石墨塊的內(nèi)側(cè)的孔穿過，在主根拉線距焊有金屬圓柱體的位置200mm處，熱鍍錫并將其它兩根鋼絲繩拉線與其焊接在一起，穿過高碳鋼絲焊制的圓徑彈性保持支架的組對(duì)中心處）。在石墨內(nèi)襯墊的結(jié)構(gòu)組對(duì)成圓支撐塊后，套上一層氧化鋁纖維氈作為與鋁合金管道接觸的界面即可以實(shí)施焊接作業(yè)。焊接完成后，拉動(dòng)一根最大長(zhǎng)度應(yīng)大于組對(duì)管道的長(zhǎng)度拉線，首先帶出高碳鋼絲焊制的圓徑彈性保持支架，然后由于三根鋼絲拉線長(zhǎng)度不同分別脫離圓形組對(duì)體至此完成拆除管道焊接內(nèi)襯墊（石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊）的工作。

2.5 管道全位置（環(huán)形焊縫）焊接操作要求

2.5.1 活動(dòng)口焊接（轉(zhuǎn)動(dòng)被焊接管件焊接）

這些環(huán)縫可以通過工件移動(dòng)的方式使熔池始終處于水平面內(nèi)，內(nèi)襯“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”這樣環(huán)縫的成形條件基本上跟平板俯位焊接條件相似。為了減少曲面對(duì)熔池金屬流動(dòng)的不利影響，電弧均應(yīng)沿旋轉(zhuǎn)反方向偏置中心一段距離。焊件直徑愈小，這段偏置距離應(yīng)大一些，但也不能偏置過大，以免使熔深不足，此外焊件直徑愈小，允許的熔池體積長(zhǎng)度也將減小，因此電弧功率和焊速的選擇是關(guān)鍵。

2.5.2 固定口焊接、焊接操作要求

手工單面焊時(shí)垂直、橫向焊縫成形的主要困難是熔池金屬會(huì)在自重作用下從熔池表面流失，為此必須嚴(yán)格控制熔池體積。強(qiáng)制成形及控制方法：強(qiáng)制成形垂直及橫向焊接時(shí)，液體金屬與熔池壁之間的表面張力將是保持熔池穩(wěn)定的作用力，內(nèi)襯“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”，嚴(yán)格控制熔池體積，使熔池背面焊縫強(qiáng)制成形。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的第四組（見表1）雖然焊接速度塊，由于采用了“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”使背面焊縫強(qiáng)制成形，但焊接熔池過大自重超過表面張力所允許的范圍，使焊接管道的外表面熔池易流淌。避免此現(xiàn)象的常用最簡(jiǎn)單的方法是：調(diào)整焊接參數(shù)和操作手法進(jìn)行焊接。焊槍的傾角后傾焊時(shí)，由于電弧力的作用，熔化金屬向熔池尾部運(yùn)動(dòng)，利于電弧對(duì)熔池底部母材的直接加熱，電弧熔透能力增加，背面焊縫的熔合性得到改善，背面焊縫的熔寬及余高均由于采用“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”而增加。前傾焊時(shí)則相反，合適的后傾角度為10～20°。當(dāng)熔池體積教大時(shí)，垂直、橫向甚至仰焊都可在一定條件下用“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”強(qiáng)制成形法來控制背面焊縫成形。但是仰焊應(yīng)采用第一組實(shí)驗(yàn)焊接工藝參數(shù)（見表1），采用小電流、小功率進(jìn)行多層多道焊接防止熔池向下滴落。

表1 試件所采用的管材料牌號(hào)5052焊接工藝參數(shù)

2.5.3 焊接工藝參數(shù)（見表1）

2.6 焊接坡口、坡口角度的加工對(duì)采用“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”的影響

手工單面焊接時(shí)，電弧操作較靈活，可適應(yīng)的坡口間隙范圍較寬，對(duì)裝配要求并不十分嚴(yán)格，村墊這種對(duì)坡口間隙范圍較寬的適應(yīng)能力，開坡口的目的是保證焊透。單面焊時(shí)，坡口角度增加，利于焊縫根部熔透，則背面焊縫的熔寬顯著增加，同時(shí)由于襯墊存在的弧形凹槽使的熔化深度增加，背面焊縫余高隨之增加，但由于熔寬增加更為顯著，因此背面焊縫余高系數(shù)(b／a)隨坡口角度增加而增加，背面焊縫熔合性得以改善，對(duì)保證合理的背面焊縫形狀有利，但坡口角度增加，要求填充金屬量增多，增加了焊接材料消耗，降低了焊接生產(chǎn)率，且增加了焊接結(jié)構(gòu)的變形。如果坡口角度過小，尤其大厚管道焊接，電弧較難熔透坡口根部母材，易產(chǎn)生未焊透、背面焊縫熔合不良及成形惡化等問題。因此在確定單面焊坡口角度時(shí)，應(yīng)綜合考慮焊接生產(chǎn)效率、焊縫成形等諸多因素。工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，坡口角度在55～65°范圍內(nèi)較合適。鈍邊高度k鈍邊高度主要影響焊縫熔透及背面焊縫成形質(zhì)量，鈍邊高度增加時(shí)，背面焊縫熔寬及余高均減小，鈍邊高度過大時(shí)，會(huì)造成焊縫根部熔合不良，常出現(xiàn)凹凸、脈紋，焊縫成形惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)未焊透缺睹。減小鈍邊高度，有利于坡口根部熔透，背面焊縫成形得到改善。鈍邊高度主要應(yīng)根據(jù)坡口角度、坡口裝配間隙及焊接規(guī)范參數(shù)確定。

2.7 背面焊縫成形的質(zhì)量

焊接過程中熔池底部金屬與襯墊接觸，襯墊必須具有化學(xué)穩(wěn)定性，避免熔化金屬與襯墊相互浸潤(rùn)，研究發(fā)明采用的“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”能保證焊縫穩(wěn)定成形。因?yàn)槭砻娓补杷徜X纖維焊接高溫中不與熱態(tài)金屬鋁發(fā)生冶金反應(yīng)，否則襯墊與熔池液態(tài)金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，不僅影響焊縫表面成形，還可能影響背面焊縫的沖擊韌性。本襯墊具有良好的物理性能，當(dāng)電弧移開，熔池底部冷卻到金屬熔點(diǎn)時(shí)開始結(jié)晶，襯墊的耐火度高于金屬熔點(diǎn)，焊縫金屬凝固，冷卻凝固后表面光滑焊縫余高圓滑。

3 結(jié)論

（1）鋁及鋁合金管道全位置（固定口焊接）單面焊加“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”焊接施工具有工藝先進(jìn)、施工質(zhì)量好、施工周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度低、成本低等特點(diǎn)。

（2）單面焊工藝要點(diǎn)是保證焊縫根部焊透并保證襯墊與工件背面貼合良好?！笆砻娓补杷徜X纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”配合合理的焊接工藝參數(shù)能保證其焊接背面接觸良好成型余高得到保證，可獲得良好的背面焊縫成形。通過使用管道焊接“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”，使鋁合金工藝管道單面焊焊接操作簡(jiǎn)單、快捷、省時(shí)省力，既節(jié)能又環(huán)保，還保護(hù)了管材內(nèi)表面本身不受損傷。

（3）經(jīng)實(shí)際施工測(cè)算，使用本管道焊接“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內(nèi)襯墊”焊接時(shí)間縮短為原耗時(shí)的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著，值得在今后安裝中推廣應(yīng)用。在實(shí)際操作中，靈活運(yùn)用各種焊接內(nèi)襯是取得經(jīng)濟(jì)效益的重要保證之一。

1 《焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，鋼結(jié)構(gòu)工程研究所譯.

2 《當(dāng)代工程師手冊(cè)》，科技論文撰寫篇——遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.

3 《鋁制焊接容器》JB4734-2002標(biāo)準(zhǔn).

4 氣體保護(hù)單面焊接工藝的研究——杜學(xué)銘、張建強(qiáng).

5 非金屬村墊材料的研究武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào).

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1672-9323（2012）05-0046-03

2012-07-14）