铝制管道的焊接

       [摘要]铝焊接熔池易吸收氢等气体，焊缝易产生气孔。熔池中进入氧化铝易形成夹渣。因此，焊前清除焊件与焊丝的氧化膜、水分、油污、有机物等对铝焊接很重要。铝在高温下易与空气中的氧反应，铝焊接要求有良好的保护。本文介绍了铝合金管道的焊接特点和焊接工艺。
       [关键词]铝及铝合金；管道；焊接
       1 引言
       2006年1月，某公司为本溪钢铁公司焦化厂回收硫铵扩容工程制造一批铝合金管道，管道是用于连接脱酸蒸氨装置和硫铵装置的酸气管。管道的材料是铝镁合金5A02(防锈铝LF2)，规格有Φ426mm×7mm、Φ507mm×7mm、Φ530mm×7mm、Φ630mm×8mm等，共231In。
        2 材料
        2.1.母材
        母材5A02是铝镁系合金中含镁量较低的一种，强度较低、塑性较高，冷变形可以提高强度，但降低塑性；热处理不能强化，有较高的疲劳强度，耐蚀性很好；焊接时有形成结晶裂纹的倾向，焊缝气密性不高。
        5A02的密度为2.68g／cm3，熔化温度627～652℃，含镁2.0％～2.8％。镁对铝的强化作用是明显的，每增DH1％镁，抗拉强度大约升高34MPa；如果加入1％以下的锰，可起补充强化作用。加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂纹倾向和改善焊接性能。
为了得到好的塑性，材料状态应是退火状态(0)或热作状态(H112)，不应采用冷作状态。

        2.2.焊丝
        焊丝选用抗裂性好的SAlMg5。焊接铝镁合金时，为了弥补镁的烧损应采用含Mg量比母材高1％～2％的焊丝，.SAlMg5焊丝中含Mg量为5％左右，还含有微量的Ti，微量的Ti可以起到细化焊缝晶粒的作用，改善力学性能。
        2.3.保护气体
        保护气体氩气(Ar)的特点是电弧稳定，引弧方便，氩气(Ar)纯度不低于99.99％。
        2.4.钨极
        交流钨极氩弧焊应首选锆钨电极，含ZrO20.15％～0.400／0。锆钨电极适用于交流焊接，尖端部易保持成半球形，从而减少了钨极熔损和渗钨现象。当钨极前端出现污染或形状不规则时，应进行修正或更换钨极。焊接前，钨极端部应磨成如图1所示的形式。
        3 铝合金的焊接特点[1]
        3.1.强的氧化能力
        铝和氧的亲和力很强，铝在空气中极易与氧化合而生成致密结实的AL2O3薄膜,AL2O3的熔点高达2050℃，远远超过铝和铝合金的熔点(500～600℃)。AL2O3的相对密度较大，约为铝的1.4倍。在焊接过程中氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，易造成夹渣。
        氧化铝膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。
        因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再次氧化。对熔化金属和处于高温下的金属应进行有效的保护。
        3.2.较高的热导率和比热容大
        铝及铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的2倍多。铝的热导率是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量被迅速传导到基体金属内部，熔池形成困难。因此应当采用能量集中、功率大的能源，根据结构尺寸(板厚)、环境温度等条件，也可预热。
        3.3.热裂倾向大
       铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的2倍。铝凝固时的体积收缩率较大，达6.5％，而铁为3.5％。熔融铝合金高温时强度低，如果工艺措施不当，焊缝及近缝区在冷却过程中还会产生很大的焊接应力、拘束应力及热应力。因而，铝焊接熔池凝固时容易产生缩孑L、缩松、热裂纹及较高的内应力。
        3.4.气孔敏感性高
        铝及铝合金液体熔池很容易吸收氢等气体，高温下溶入的大量气体在焊后冷却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中会形成气孑L。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，焊接前对母材坡口与焊丝进行清理是很有必要的。
        3.5.固态液化时无色泽变化
        铝及铝合金焊接熔池金属由固态变成液态时，没有明显的色泽变化，这和钢在临熔化前呈现红色不一样，会给焊接操作带来不便。不能准确判断坡口母材在什么时候开始熔化，熔融的铝表面张力小、强度低、流动性好，从而易造成焊缝金属的塌陷或烧穿。因此，要求铝焊接操作者有更熟练的操作技能，善于利用熔池表面的微小变化来判断铝的加热温度。
        4 焊接方法
        钨极氩弧焊(ⅡG交流电源)是铝焊接最常用、最普通的焊接方法。热能比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性较高，接头质量较优。
如果用直流电源，当钨极接正极时，电弧穿透力极差，不能保证熔深，而当钨极接负极时，虽然电弧穿透力足够，但电弧对铝材表面失去了清洗作用。所以只有用交流电源，钨极氩弧焊才能兼具两者的优点。
        交流电特点是负半波(工件为负).时，有阴极工件表面清理作用，正半波(工件为正)时，钨极因发热量低，不易熔化。为了获得足够的熔深和防止咬边、焊道过宽和随之而来的熔深及焊缝外形失控，必须维持短的电弧长度。电弧长度应大约等于钨极直径。
        5 焊接工艺
        5.1.坡口及加工
        对于筒体直径较大的能在筒体内施焊的管道最好双面焊，先焊里面，外铲根后，再焊外面；对于简体直径较小的不能在简体内施焊的管道，应在筒体内加垫板后再焊接，注意根部焊透。
        焊接坡口形式和尺寸应根据图样要求及工艺要求确定。按图2DnZ坡口和组对装配。铝合金的流动性好，因而一般都采用较小的根部问隙和较大的坡口角度。
坡口加工应采用机械加工或等离子切割加工，用等离子切割加工所产生的边缘污染层必须用机械的方法除去，露出金属光泽。
        一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。去除污染层或清根应用风铲。
        5.2　焊前清理
        铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量。去除表面氧化物有化学清洗和机械清理两种方法。
        5.2.1　化学清洗[1]
化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可先用丙酮表面去油，用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液浸3～7min，流动清水冲洗，接着用约30％的HNO3溶液在常温下浸1～3min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。
        5.2.2　机械清理
       对于不便于化学清洗的工件，可用机械清除氧化膜。
       先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷，刷到露出金属光泽为止。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。
        5.3　垫板
        铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致于塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。当进行单面焊时，希望通过使用某种形式的垫板来控制根部焊透或根部余高和根部表面的形状，保证焊缝反面成形。
        垫板一般可用铜或不锈钢制成，垫板上开一个凹槽，以确保根部焊透及焊缝反面成形。也可以不加垫板单面焊双面成形，但要求焊接操作技术熟练。
        5.4.焊前预热
        薄、小铝件一般不用预热，厚度为10～15mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100～200℃，可用氧-乙炔焰、电炉、喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔、防止产生未焊透等缺陷。纯铝和铝镁合金的预热温度为100～150℃。
        5.5.焊接过程中的保护
        焊接过程中高温熔池得到氩气的有效保护。喷嘴直径和氩气流量确定氩气保护的范围和效果。当氩气保护效果最好时，熔池呈现明亮清净的表面；当保护效果较差时，熔池表面有悬浮的脏物。若加垫板背面可以不用氩气保护，这一点与焊钛、镍等有差别。
        5.6.焊工操作技术
钨极氩弧焊操作时，采用短弧不摆动或小摆动的操作方法。一般应保持钨极中心线与焊接处工件表面80°～85°较好。填充焊丝与工件表面夹角应尽可能小，一般为10°左右。焊接时，填充焊丝的送人不应直接浸入熔池，应使填充焊丝位于钨极的前方边熔化边送进，焊丝端头要始终处于氩气保护之下。收弧时要多添加点焊丝，使焊缝堆高增大，待焊后再铲平修整。
        焊接时，焊丝的端部不应离开氩气保护区。
        在焊接中断或结束时，应保证收弧的质量。在没有引出板的情况下要注意多添加焊丝直至填满弧坑才能断弧，否则易引起弧坑裂纹。
        可旋转的铝合金管道对接平焊时，焊炬应处于稍上坡焊的位置，有利于焊透。厚壁管子打底焊可不添加焊丝。在技术条件允许时，采取在管内加衬环，而留较大的间隙(≤6mm)。
        当焊缝出现触钨现象时，应将钨极、焊丝、熔池处理干净后方可继续进行施焊。整条焊道应连续焊完。
焊件宜进行刚性固定或采取反变形法，并应留有收缩余量。
        5.7.焊接参数
        对于筒体直径较大的能在筒体内施焊的管道应双面焊，先焊里面，外铲根后，再焊外面；对于筒体直径较小的管道，应在筒体内加垫板后再焊接。
        多层焊时宜减少焊接层数，层间产生的氧化膜等杂物应用机械方法清理干净。层间温度控制应不低于预热温度，应待前一层焊道冷却后再焊下一道，控制层间温度不低于100℃，不高于15℃。
        6 结束语
        由于铝及铝合金的焊接特点，焊前处理显得尤其重要，去除氧化膜和油污是获得优质焊缝的关键。铝合金的物理性能不同于一般的钢铁材料，其焊接对焊工的操作技能要求较高。