鋁合金管母線焊接工藝

武旭平 段臨臨 范紹林

鋁合金管母線焊接工藝

武旭平 段臨臨 范紹林

針對某供電公司220kV智能變電站建設過程中，遇到材質為6063鋁鎂硅管母線的焊接難題，通過對其材質進行焊接性分析研究，制定了采用交流鎢極氬弧焊焊接的工藝方案，并通過工藝評定、焊工培訓和實際操作試驗、歸納、總結，形成鋁合金管母線的焊接工藝。

1. 鋁合金的焊接性分析

鋁及鋁合金的熔點低、比熱容高（約是鋼的2倍）、導熱系數(shù)大（約是鋼的3倍）、線膨脹系數(shù)大，在焊接中容易產生變形，需采用熱量較集中的熱源。

鋁的化學性質活潑，表面易形成氧化膜，在焊接時容易形成未熔合及夾渣缺陷，使接頭的性能降低；氧化膜對水分有很高的吸附能力，易產生氣孔缺陷；另外，還出現(xiàn)裂紋、接頭軟化和耐蝕性降低等問題。

（1）氣孔 鋁合金焊接時主要產生的氣孔是氫氣孔，而氫的來源有三個：空氣中的水分侵入熔池、保護氬氣中含水分大、坡口及焊絲清理不干凈。

解決氣孔的主要措施：適當預熱，降低熔池的冷卻速度，有利于氣體逸出；制定合理的焊接工藝，采用短弧焊接；提高氬氣的純度；清除焊絲和母材坡口及其兩側的氧化膜、水、油等污物。

（2）裂紋 鋁合金焊接中產生的裂紋主要是熱裂紋，其中大部分是產生在焊縫中的結晶裂紋，有時在熱影響區(qū)也出現(xiàn)液化裂紋。

除了接頭中拘束力的影響之外，結晶裂紋的產生主要是受鋁合金化學成分和高溫物理性能的影響。當焊接熱輸入過大時，在鋁合金多層焊的焊縫中，或與熔合線毗連的熱影響區(qū)，常會產生顯微液化裂紋。

防止裂紋的主要途徑：選配合適的焊絲和盡可能優(yōu)選母材成分；正確選擇焊接方法和工藝參數(shù)，宜采用功率大、加熱集中的熱源；應避免不合理的工藝和裝配所引起的應力增大，盡量將焊接應力降低到最小；避免接頭在高溫下受力，人為地造成裂紋。

（3）焊接接頭軟化 鋁合金管焊接后會產生明顯的軟化現(xiàn)象，其主要原因是由于焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能變化引起的。

防止焊接接頭軟化的主要方法：采用加熱迅速、熱量集中的焊接方法，以減小接頭的強度損失；選擇合適的焊絲。

（4）接頭耐蝕性 鋁合金接頭耐蝕性降低的原因，主要與接頭的組織不均勻、焊接缺陷、焊縫鑄造組織和焊接應力等有關。

采取的主要措施：選用高純度的焊絲；調整焊接工藝可以減小熱影響區(qū)，并防止過熱，同時應盡可能減少工藝性焊接缺陷；焊接過程中采用碾壓或錘擊焊縫有利于提高焊接接頭的耐蝕性，減少焊接應力。

2. 焊接工藝

（1）焊接方法 通過以上分析和結合現(xiàn)場實際情況，確定焊接方法為交流鎢極氬弧焊。其優(yōu)點是：具有陰極破碎作用；設備結構和線路簡單，不易出現(xiàn)故障； TIG保護性好，電弧穩(wěn)定、熱量集中、焊縫成形美觀、強度和塑性高、管材變形小；現(xiàn)場地面施焊，管材可以轉動，以平焊位為主，操作容易，便于控制質量；可形成較大的熔池，有益于

氣體逸出，故焊縫中氣孔極少。

（2）焊前準備 焊接設備與焊材的選用：采用交直鎢極氬弧焊機WSE—315，焊材選用HS5356、φ5mm。

清理：鋁合金管母和襯管都有包裝，保護比較好，為了避免碰損和油污，在組裝焊接時才拆除包裝。現(xiàn)場使用坡口機開坡口，用丙酮擦拭坡口及其附近處，然后用銅絲刷清理管母坡口及其內外壁30mm范圍、襯管和加強孔附近的污物，之后再用丙酮擦拭，如圖1所示。焊絲用化學方法進行清理。管母、襯管、焊絲的清理應根據(jù)焊接進度完成，不要一次清理過多，以免造成再次氧化和污染。

組裝對口：制作的焊接支架如圖2所示，要求管母的軸心線重合，安裝可轉動膠輪可使管母免受損傷，且焊接位置一直處于水平位置便于焊工施焊，減小了操作難度，保證了焊接質量。襯管的加工要求如圖3所示。

制作的對口夾具如圖4所示，便于定位焊和焊接過程中轉動管子時，使高溫的焊縫不受外力而產生缺陷。

坡口角度、對口要求如圖5所示。由于襯管和管母之間只有1～2mm間隙，且有溝槽，可以對背面焊縫起到氬氣保護作用，所以內壁不需要專門做充氬處理。

（3）預熱 焊前用氧乙炔中性焰對坡口及其兩端150～200mm內進行加熱，加熱溫度為200～250℃（測溫筆測試），預熱溫度不宜過高，否則易使焊接接頭的力學性能下降的太大。

3. 焊接參數(shù)

鋁合金管母焊接電流與加熱溫度的選擇尤為重要，如果焊接電流過大，熔池形成速度較快，容易造成燒穿、塌陷等缺陷；如果焊接電流過小，母材較難熔化，熔深淺，易產生氣孔、未焊透和熔合不良等缺陷。可通過適當提高預熱溫度來補償焊接區(qū)熱源不足，使焊接順利進行。焊接焊接φ130mm×6mm鋁合金管母線的參數(shù)如附表所示。

焊接φ110mm×4mm鋁合金管母線時，焊接電流可適當減小為160～170A，焊加強孔選擇的焊接電流200～210A。

圖1 清理好的焊口

圖2 焊接支架

圖3 襯管

圖4 對口夾具

4. 操作工藝要點

（1）鋁合金在熔化時幾乎沒有顏色變化，焊工操作必需熟練掌握，且注意力要高度集中。

（2）對口、焊接時可采用夾具如圖4所示，保證接頭裝配間隙、錯口量及角變形，同時也可防止管子轉動時高溫焊縫不受外力影響而產生裂紋，提高了焊

接效率。焊接完成后，立即卸掉對口夾具，待溫度降到200℃以下才可將管母移離支架。

（3）把管子按三等份劃分，定位焊三點，位于管子等分點，定位焊長度為10～15mm，厚約4mm。焊接共分兩層完成，每層焊接順序采用分段退焊，1、2、3依次進行，如圖6所示。第二層要和第一層的接頭錯開，避免缺陷集中。

（4）焊接時采用左向焊為宜，鎢極伸出長度4～5mm，弧長2～3mm，可作間隙停留，達到一定的熔深后，再添加焊絲向前移動。

圖5 組對示意

φ130mm×6mm鋁合金管母線的焊接參數(shù)

圖6 焊接順序

圖7 焊槍、焊絲角度

圖8 焊縫成形

（5）焊槍、焊絲的角度如圖7所示，焊絲與管子切線的夾角為10°～15°，焊槍與管子切線的夾角為75°～90°；也可適當變換，但力求滿足以下要求：容易觀察熔池，熔池應始終處于氬氣保護下，電弧對熔池前端焊道起預熱作用。

（6）打底接頭時，先不加焊絲，充分熔化熔池，待出現(xiàn)熔孔后給熔池中心添加一滴熔滴，焊槍輕微橫向擺動，再添加一滴熔滴，再熔化，這樣有節(jié)奏地送進熔滴，形成焊縫。

（7）電弧長度為2～3mm，若電弧長度過低，容易和熔池短路，造成焊縫污染，若電弧長度過高，會產生電弧不穩(wěn)定，熱量不集中，且氬氣保護性較差。

（8）平焊封口接頭處，當焊至距對面焊縫3mm時，移開焊絲，焊槍作劃圈動作，將對面焊縫充分熔化，再把焊絲從旁邊送進填滿熔池，焊槍左右擺動，繼續(xù)向前移動，搭接對面焊縫10mm時填滿弧坑，滅弧后焊槍不許離開，繼續(xù)保護熔池。

（9）層間溫度不應低于預熱溫度，焊接過程中也可進行輔助加溫。

（10）在焊接第二層焊縫之前，要用銅絲輪或不銹鋼絲輪刷掉焊縫表面的氧化物。

（11）蓋面開始時，先不添加焊絲，焊槍作橫向擺動，待開始部位焊縫出現(xiàn)濕潤現(xiàn)象時，加少量熔滴、熔化，逐漸過渡到正常焊接，這樣使起始焊縫較低，便于下一段焊縫搭接收尾，保證了收尾質量。

（12）蓋面收弧時要填滿弧坑，利用電流衰減熄滅，焊槍不許離開，繼續(xù)保護熔池。

（13）焊接過程中仔細檢查焊縫內外表面上是否存在未焊透、裂紋、表面氣孔、焊瘤及未熔合等缺陷，發(fā)現(xiàn)后立即清除重焊。

5. 結語

經過以上處理，該供電公司220kV智能變電站φ130mm×6mm管母50多個焊口、φ110mm×4mm管母80多個焊口在焊接過程中，沒有出現(xiàn)因焊口變形而出現(xiàn)返工現(xiàn)象，工期進展順利，按期完工。

采用以上鋁合金管母線的焊接工藝焊縫成形美觀（圖8），經X光無損探傷檢測和導電率測試，均符合要求，一次合格率達99%以上。到目前為止，該變電站已正常運行兩年。

武旭平等，國網(wǎng)山西電力技能培訓中心臨汾分部，范紹林，中冶天工鋼構容器分公司。