鋁合金罐體焊接缺陷及工藝措施

王麗輝

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽　110161）

鋁合金罐體焊接缺陷及工藝措施

王麗輝

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽110161）

超高壓和特高壓輸變電設(shè)備市場需求日益加大，其隔離開關(guān)、斷路器和母線罐體較多采用厚壁鋁合金焊接而成，鋁罐的焊接質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和進(jìn)度。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋁罐焊接后時(shí)有氣孔、焊接裂紋等缺陷出現(xiàn)，本文針對鋁合金罐體的氣孔、裂紋等缺陷原因，從工藝角度進(jìn)行分析，并提出工藝改進(jìn)方案，有效地保證罐體質(zhì)量。

鋁合金罐體；氣孔；裂紋；工藝措施

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，輸變電設(shè)備的電壓等級越來越高，特別是高壓和超高壓開關(guān)設(shè)備的斷路器和母線罐體，均采用重量輕、防腐性能好，特別是通流幾乎不影響溫升的鋁合金作為罐體材質(zhì)。因此鋁合金罐體的焊接質(zhì)量制約著設(shè)備的整體質(zhì)量。生產(chǎn)制造過程中，在焊接后對鋁合金罐體環(huán)焊縫進(jìn)行射線檢驗(yàn)和著色檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊接后的鋁罐時(shí)有氣孔、夾鎢和熱裂紋缺陷，本文針對上述缺陷原因進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)以上制定合理的工藝，有效杜絕此類缺陷的再次發(fā)生，保證了鋁罐的質(zhì)量。

1　鋁罐缺陷

鋁合金罐體焊后射線檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)氣孔（圖1、圖2）、夾鎢（圖3），著色檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有罐體出現(xiàn)焊縫縱裂紋（圖4）。

2　缺陷原因分析

2.1鋁合金焊接性

鋁罐選用的材質(zhì)為5083鋁合金，該材質(zhì)易被氧化，在表面生成高熔點(diǎn)、不導(dǎo)電、致密性高的Al2O3氧化膜。焊接時(shí)如果氧化膜去除不徹底，則不僅增加焊接難度，而且還會(huì)因氧化膜表面吸附大量水分易生成氣孔。同時(shí)由于鋁合金本身熱傳導(dǎo)性好，焊接時(shí)溫度場變化大；熱膨脹系數(shù)大，是鋼的2倍，凝固收縮率約6.5%，在拘束條件下焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋［1］。鋁合金在固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)無顏色變化，在焊接操作方面帶來了一定的困難，過熱時(shí)易導(dǎo)致接頭軟化，造成強(qiáng)度、塑性的降低。

2.2氣孔

射線檢測結(jié)果顯示，鋁罐的焊縫上存在鏈狀氣孔和密集型氣孔，見圖1、圖2。圖片顯示，兩種氣孔均為白亮光潔狀，經(jīng)驗(yàn)得知，該氣孔為氫氣孔。鋁合金焊接中在凝固點(diǎn)時(shí)氫的溶解度從0.69突降到0.036mL/100g，相差約20倍（在鋼中只相差不到2倍），這是氫容易使焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因之一［2］。鋁罐主要采取TIG、MIG焊接方法，氫的主要來源為水分分解，水分來源包括母材氧化膜清理不徹底焊接接頭所吸附的水分、焊絲有雜質(zhì)所含水分及保護(hù)氣純度不達(dá)標(biāo)或流量不當(dāng)至空氣中水分進(jìn)入熔池。鋁罐所用保護(hù)氣體為純度99.999%的氬氣，所用焊絲為直徑Φ1.6的ER5356。由此分析，可排除氬氣純度不足造成的水分超標(biāo)。

圖1　焊縫鏈狀氣孔

圖2　密集型氣孔

2.3夾鎢

圖3為環(huán)焊縫射線檢驗(yàn)圖像，圖像顯示焊縫中存在較集中的夾鎢缺陷。夾鎢多是由于高溫下鎢極尖端燒損殘留在焊縫中或操作時(shí)鎢極觸碰到熔池所致，鋁罐焊接采用的是MIG焊接2層、自動(dòng)TIG蓋面、背面清根后自動(dòng)TIG焊接的多層焊焊接工藝，因此鎢極燒損形成夾鎢的可能性更大，而造成鎢極燒損原因多是由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)。

2.4裂紋

圖4著色檢驗(yàn)顯示鋁罐裂紋為焊縫縱裂紋。鋁合金裂紋多為熱裂紋，從工藝角度考慮，鋁罐采取的是多層焊接，層間熔合不良有夾雜或?qū)娱g溫度不當(dāng)、收弧時(shí)弧坑未填滿等都可能造成微裂紋；焊縫熔池凝固時(shí)產(chǎn)生較大的應(yīng)力等都可增大熱裂紋傾向。

3　改進(jìn)后工藝

上述分析顯示，鋁罐焊接缺陷產(chǎn)生的主要原因來自工藝，多次試驗(yàn)后，制定改進(jìn)后工藝方案如下：

3.1嚴(yán)格控制焊縫水分

焊前對焊縫端面及左右兩側(cè)各15mm位置，用不銹鋼絲輪打磨清理氧化膜，并用丙酮將雜質(zhì)徹底清除，不能使用硬質(zhì)砂輪，防止砂輪雜質(zhì)顆粒殘留引起焊縫熱裂紋；同時(shí)嚴(yán)格清理焊絲、鎢極、噴嘴和導(dǎo)電嘴，保證氬氣純度達(dá)99.999%。

圖3　焊縫夾鎢

圖4　焊縫裂紋

3.2焊前正確預(yù)熱

焊前將鋁罐放置在變位機(jī)上旋轉(zhuǎn)，采用2把烤槍分別在0°和180°相對應(yīng)位置對鋁罐焊縫位置左右各70mm寬度范圍內(nèi)進(jìn)行100℃～150℃的均勻預(yù)熱，以減小試件相對膨脹量，降低產(chǎn)生焊接應(yīng)力的概率［3］，減少因應(yīng)力造成的裂紋。

3.3嚴(yán)格控制層間溫度

層間溫度控制在200℃以內(nèi)。避免層間溫度過高，防止產(chǎn)生熱裂紋。嚴(yán)格控制間溫度和后焊層的熱輸入量，保證層間融合，防止晶間局部熔化產(chǎn)生微裂紋［4］。

3.4合理設(shè)置焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定鋁合金罐體環(huán)焊縫工藝為：焊接層數(shù)4層，1、2層為熔化極氬弧焊，3、4層為自動(dòng)鎢極氬弧焊，其中第4層為背面焊接，焊接前需對焊縫根部清根處理，以防出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷，具體工藝參數(shù)見表1。

表1　5083鋁合金罐體工藝參數(shù)表

3.5鋁罐缺陷的返修處理

上述工藝明確后，對出現(xiàn)缺陷的鋁合金罐體進(jìn)行返修處理，首先將缺陷部位焊縫用銑刀徹底清除，用丙酮擦拭干凈，預(yù)熱150℃，用鎢極氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊后再次射線檢測合格。

4　結(jié)語

（1）按上述改進(jìn)后工藝焊接的鋁合金罐體，經(jīng)過射線和滲透檢驗(yàn)，全部達(dá)到質(zhì)量要求，未再次出現(xiàn)焊接缺陷。

（2）合理設(shè)置焊接工藝規(guī)范、生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行工藝，是產(chǎn)品質(zhì)量的有效保障。

（3）本工藝的研究，有效的保證我國高電壓等級輸變電設(shè)備的制造質(zhì)量；同時(shí)，也為類似的鋁合金結(jié)構(gòu)焊接提供了有益借鑒。

［1］周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：448-449.

［2］韓萍，徐軍偉.鋁合金焊接缺陷分析［J］.機(jī)械工人熱加工2008.1（2）：45-48.

［3］魏兆中.鋁合金焊接裂紋產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2010.7（22-3）：50-51.

［4］李仕慧.張曉輝.軌道車輛用鋁合金焊接裂紋的產(chǎn)生與防止［J］.焊接技術(shù).2014.43（12）：79-80.

（責(zé)任編輯：文婷）

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