鋁及鋁合金管道全位置單面焊加內襯墊焊接施工

梁 劍

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

鋁及鋁合金管道全位置單面焊加內襯墊焊接施工

梁 劍

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

闡述了鋁及鋁合金管道焊接，引入發明的一種實用新型管道焊接內襯墊彈性裝置的專利產品（專利證書號：ZL201020269019.3），由于采用的襯墊材料加入了氧化鋁纖維氈，焊接過程中不會和母材發生反應，所以是一種可以方便地安放在管道焊接焊口內側，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強度很低，液態鋁的流動性能好，在焊接時焊縫金屬容易產生下塌現象。為了保證焊透而又不致塌陷，焊接時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。墊板表面開一個圓弧形槽，以保證焊縫反面成型）。

針對大量鋁鎂合金管道的焊接，我們提出一種管道焊接內襯墊彈性裝置，一種可以方便地安放在管道焊接焊口內側，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（支撐環板），表面包覆2mm厚的一層氧化鋁纖維氈，在石墨支撐環板之間彈簧的彈性壓力下保證焊縫反面成型，還保護了管材本身不受損傷。經實際施工測算，使用本管道焊接內襯墊焊接時間縮短為原耗時的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接質量，既節能又環保。

1 鋁及鋁合金的焊接特點的分析

（1）鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁熔點高、非常穩定，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，易使焊縫產生氣孔。

（2）鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導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約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產中可采用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生。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%時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小。根據生產經驗，當含硅5%～6%時可不產生熱裂，因而采用硅含量4.5%～6%焊絲會有更好的抗裂性。

（4）鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉態時沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。

（5）鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫，固態幾乎不溶解氫。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，對氫的來源要嚴格控制，以防止氣孔的形成。

（6）合金元素易蒸發、燒損，使焊縫性能下降。

（7）母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱會使熱影響區的強度下降。

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

2 鋁合金管道全位置單面焊加內襯墊焊接施工過程研究

2.1 焊接方法

鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應性不同，各種焊接方法有其各自的應用，針對上述鋁及鋁合金的焊接特點的分析采用惰性氣體保護焊（TIG或M IG）方法是應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構。在以往施工的50萬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襯316不銹鋼的永久性內襯墊，316不銹鋼機械加工困難，其施工成本較高。

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

2.2.2 焊劑墊

用普通埋弧焊劑或專用襯墊焊劑及槽鋼、橡皮墊等構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，襯墊應貼緊焊縫背面。為克服裝配時錯邊誤差和焊接變形影響，襯墊一般都要有適當的壓緊措施以保證產生均勻的外部承托力。

2.2.3 陶瓷襯墊

陶瓷襯墊強制成型單面焊，施焊方便，由于陶瓷襯墊對坡口根部間隙不敏感，襯墊長度可任意接長、剪短，尤其適合于現場安裝焊縫。由于在焊接時，襯墊也參與了焊縫熔敷金屬的冶金反應，對根部焊縫熔敷金屬化學成分及力學性能會產生一定的影響，尤其是對根部沖擊韌性的影響，鑒于目前尚無相應的標準進行界定，因此在實際應用中應給予足夠的重視，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焊縫又全部焊透時，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；

P——電弧對單位長度焊接熔池的總壓力。焊接方法焊接材料表面張力系數/（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襯墊的研制

電弧功率較大或管壁厚超過一定數值時，熔池不能依靠表面張力保持穩定，可采用背面襯墊承托方法來保持單面焊雙面成形時的熔池穩定的焊縫成形。改用墊板帶進行焊接就不再需要封底了，焊前把墊板帶貼到焊縫背面，從正面進行焊接，可以做到單面焊雙面成形,而且焊質量可靠實用。但是這種墊板帶在大直徑管道的焊接中應用可以采用人工進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襯墊或陶瓷襯墊。

整體內襯墊施工中安放、固定以及拆除都有一定困難，甚至于拆不出來。為此我們根據全位置管道焊接，鋁及鋁合金融化流淌在360°范圍內，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，在焊接內襯墊的結構形式和外型上進行了新的設計。本裝置由金屬彈簧、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）。首先根據不同管道直徑按照比管道內徑小5mm的圓形進行加工。例如制作一個適用DN200mm的管道焊接內襯墊：

（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個直徑5mm的通孔，以備安裝支撐彈簧和拆卸用的細鋼絲繩拉線。

（2）用直徑4mm高碳鋼絲焊制一個穿在三塊扇形塊上能保持形成一個直徑略大于195mm圓徑的彈性保持支架。管道焊接內襯墊的結構組對，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側的孔穿過，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中心處）。在石墨內襯墊的結構組對成圓支撐塊后，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施焊接作業。焊接完成后，拉動一根最大長度應大于組對管道的長度拉線，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度不同分別脫離圓形組對體至此完成拆除管道焊接內襯墊（石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內襯墊）的工作。

2.5 管道全位置（環形焊縫）焊接操作要求

2.5.1 活動口焊接（轉動被焊接管件焊接）

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

2.5.2 固定口焊接、焊接操作要求

手工單面焊時垂直、橫向焊縫成形的主要困難是熔池金屬會在自重作用下從熔池表面流失，為此必須嚴格控制熔池體積。強制成形及控制方法：強制成形垂直及橫向焊接時，液體金屬與熔池壁之間的表面張力將是保持熔池穩定的作用力，內襯“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內襯墊”，嚴格控制熔池體積，使熔池背面焊縫強制成形。實驗數據的第四組（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襯墊”使背面焊縫強制成形，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。避免此現象的常用最簡單的方法是：調整焊接參數和操作手法進行焊接。焊槍的傾角后傾焊時，由于電弧力的作用，熔化金屬向熔池尾部運動，利于電弧對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襯墊”而增加。前傾焊時則相反，合適的后傾角度為10～20°。當熔池體積教大時，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襯墊”強制成形法來控制背面焊縫成形。但是仰焊應采用第一組實驗焊接工藝參數（見表1），采用小電流、小功率進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5052焊接工藝參數

2.5.3 焊接工藝參數（見表1）

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

手工單面焊接時，電弧操作較靈活，可適應的坡口間隙范圍較寬，對裝配要求并不十分嚴格，村墊這種對坡口間隙范圍較寬的適應能力，開坡口的目的是保證焊透。單面焊時，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(b／a)隨坡口角度增加而增加，背面焊縫熔合性得以改善，對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，降低了焊接生產率，且增加了焊接結構的變形。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，應綜合考慮焊接生產效率、焊縫成形等諸多因素。工藝試驗發現，坡口角度在55～65°范圍內較合適。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量，鈍邊高度增加時，背面焊縫熔寬及余高均減小，鈍邊高度過大時，會造成焊縫根部熔合不良，常出現凹凸、脈紋，焊縫成形惡化，嚴重時會出現未焊透缺睹。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。鈍邊高度主要應根據坡口角度、坡口裝配間隙及焊接規范參數確定。

2.7 背面焊縫成形的質量

焊接過程中熔池底部金屬與襯墊接觸，襯墊必須具有化學穩定性，避免熔化金屬與襯墊相互浸潤，研究發明采用的“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內襯墊”能保證焊縫穩定成形。因為石墨表面覆硅酸鋁纖維焊接高溫中不與熱態金屬鋁發生冶金反應，否則襯墊與熔池液態金屬發生冶金反應，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，當電弧移開，熔池底部冷卻到金屬熔點時開始結晶，襯墊的耐火度高于金屬熔點，焊縫金屬凝固，冷卻凝固后表面光滑焊縫余高圓滑。

3 結論

（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襯墊”焊接施工具有工藝先進、施工質量好、施工周期短、勞動強度低、成本低等特點。

（2）單面焊工藝要點是保證焊縫根部焊透并保證襯墊與工件背面貼合良好。“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內襯墊”配合合理的焊接工藝參數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襯墊”，使鋁合金工藝管道單面焊焊接操作簡單、快捷、省時省力，既節能又環保，還保護了管材內表面本身不受損傷。

（3）經實際施工測算，使用本管道焊接“石墨表面覆硅酸鋁纖維彈性支撐內襯墊”焊接時間縮短為原耗時的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接質量，經濟效益和社會效益十分顯著，值得在今后安裝中推廣應用。在實際操作中，靈活運用各種焊接內襯是取得經濟效益的重要保證之一。

1 《焊接結構設計》，鋼結構工程研究所譯.

2 《當代工程師手冊》，科技論文撰寫篇——遼寧科學技術出版社.

3 《鋁制焊接容器》JB4734-2002標準.

4 氣體保護單面焊接工藝的研究——杜學銘、張建強.

5 非金屬村墊材料的研究武漢水運工程學院學報.

TG47

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1672-9323（2012）05-0046-03

2012-07-14）