電加熱技術(shù)在鋁合金材料焊前預(yù)熱上的應(yīng)用

楊麗

青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司 山東青島 266111

1 序言

鋁合金的表面極易氧化，產(chǎn)生氧化膜，膜內(nèi)有許多毛細孔隙。當焊前環(huán)境的相對濕度或材料厚度較大時，氧化膜層增厚加快，吸潮和吸水性增強，導(dǎo)致工件焊接過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷[1]。焊前預(yù)熱、減緩散熱有利于減緩熔池冷卻速度，延長熔池存在時間，便于氫氣泡逸出，免除或減少焊縫氣孔。因此為保證焊接質(zhì)量，一般焊接之前要對焊接區(qū)域的母材進行預(yù)熱，常用的預(yù)熱方法采用火焰加熱[2]。

在較大及較厚結(jié)構(gòu)工件焊接前，采用傳統(tǒng)的火焰加熱方式進行預(yù)熱，需工人手持并不斷的移動預(yù)熱焊槍，從而使工件達到預(yù)熱溫度，滿足焊接要求。此種方式大大增加了工人的工時，降低了工作效率。因此，對于大厚結(jié)構(gòu)工件的焊前預(yù)熱，如何提高工人的有效工作效率，加快工件的制造進程，成為選取加熱方式的主要因素。

2 工件結(jié)構(gòu)

本文針對時速250km動車枕梁組成的焊前預(yù)熱進行討論。其整體結(jié)構(gòu)采用兩根3m長擠壓成形的中空鋁型材進行拼接，型材的材質(zhì)為6005A-T6，該種材質(zhì)的鋁合金為時效強化型鋁合金，熱強度損失作用明顯，因此在熱作用下，可能出現(xiàn)強度下降、晶間開裂等問題，尤其材料在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)更容易出現(xiàn)該類問題。因此加熱溫度與加熱時間成為影響工件性能的重要因素。

如圖1所示，枕梁焊接組件的結(jié)構(gòu)尺寸（長寬高）為3000mm×800mm×243mm，重量為310.5kg。兩根型材拼接處的焊縫厚度為20mm，焊縫形式為20X（9V+11V）。采用MIG（惰性氣體保護焊）的方式進行焊接，在焊接之前，需對工件的焊縫兩側(cè)各30~50mm寬度內(nèi)區(qū)域進行預(yù)熱。

圖1 時速250km動車枕梁結(jié)構(gòu)

表1為本文中所采用的工件母材（一次正常時效）及二次加熱溫度/加熱時間的力學(xué)性能對比。

通過表1可以看到，工件加熱至120℃，加熱時間3h；150℃加熱時間5h，對母材的力學(xué)性能均沒有影響。因此根據(jù)工藝要求，本文中枕梁工件的焊前預(yù)熱溫度要求為100～120℃。

表1 時速250km動車枕梁鋁型材力學(xué)性能對比

3 火焰加熱工藝

3.1 工藝介紹

傳統(tǒng)的火焰加熱方式為：將氧氣和乙炔氣體通過管路傳輸?shù)胶笜尩某鰵舛耍么蚧鹌髟诤笜尩某鰵舛藢怏w點燃，產(chǎn)生火焰。工人手持焊槍將火焰直接放置到工件表面，對其進行加熱，從而升高工件的溫度，達到焊前預(yù)熱的目的，如圖2所示。加熱要采用中性火焰，避免過多的氧氣導(dǎo)致鋁合金表面氧化膜變厚；同時采用集中性火苗，避免火苗過于分散使加熱時間變長。

圖2 火焰加熱方式示意

3.2 工藝過程

利用天車及吊具將完成組裝點固的枕梁吊放至焊接工作臺位上，工裝壓緊枕梁工件，對圖1所示的焊縫區(qū)域進行焊前清理等輔助工作。點燃預(yù)熱焊槍，對枕梁工件進行焊前預(yù)熱。

為保證預(yù)熱溫度，在預(yù)熱過程中需用接觸式測溫儀對焊縫區(qū)域進行溫度測量。接觸式測溫儀的儀器反應(yīng)需要一定時間，待溫度穩(wěn)定后再讀取數(shù)值。當達到預(yù)熱溫度后，考慮焊槍撤離與正式焊接的時間間隔，在滿足母材力學(xué)性能強度的前提下需依據(jù)具體情況持續(xù)加熱一段時間，以確保正式焊接前預(yù)熱溫度滿足要求。

此間需注意氧乙炔氣瓶必須距離實際加熱的作業(yè)點足夠遠（一般為5m以上），以免接觸火花、熱渣或火焰，否則必須提供耐火屏障[3]。

3.3 工藝特點

枕梁單根型材的截面尺寸（長、寬、高）為3000mm×400mm×243mm，截面面積較大，散熱較快。利用火焰進行預(yù)熱過程中，為達到焊縫的預(yù)熱溫度，保證良好的焊接質(zhì)量，不僅需對焊縫的周邊區(qū)域進行加熱，而且需同時對工件的四周外表面進行加熱，使工件整體升溫，以減緩焊縫區(qū)域的溫度降低速度。

在冬季、早春季節(jié)的1～3月，以及梅雨潮濕季節(jié)的5～7月，用火焰加熱工藝對此枕梁工件進行焊前預(yù)熱，平均每個工件需占用工時為每人次1～1.5h。在正式焊接過程中，由于受熱不均勻，加之工件長度較長（3m），往往未焊接至中段位置，在焊縫收弧段的溫度已降低至預(yù)熱溫度以下，需再次對收弧段的焊縫區(qū)域進行加熱。

以上加熱工藝過程較費時，且需要工人持續(xù)不斷的關(guān)注工件焊前溫度：既不能溫度過低，對焊接質(zhì)量造成影響；同時又不能溫度過高，對母材強度造成影響。此種加熱過程使得工件制造成本升高。

4 電加熱工藝

4.1 工藝介紹

本文中介紹的電加熱方式為熱風(fēng)循環(huán)電烘干箱整體加熱的方式。其工作原理如圖3所示：風(fēng)源由循環(huán)送風(fēng)電動機鼓動風(fēng)輪經(jīng)由加熱器，形成熱風(fēng)，再經(jīng)由風(fēng)道送至烘箱轎廂內(nèi)，運用后的空氣吸入風(fēng)道變成風(fēng)源再度加熱，循環(huán)運用，保證轎廂內(nèi)溫度均勻。當轎廂內(nèi)溫度到達設(shè)定值時，溫控儀輸出信號，切斷加熱運行狀態(tài)，開始保溫計時，使擺放在烘箱內(nèi)的工件整體溫度與轎廂同溫，從而實現(xiàn)加熱工件的目的。

圖3 熱風(fēng)循環(huán)電烘干箱結(jié)構(gòu)示意

當因開關(guān)門動作導(dǎo)致溫度值發(fā)生擺動時，送風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行狀態(tài)，直至達到設(shè)定溫度值，然后進行保溫。

為方便工件的吊入與吊出，需配備合適尺寸的運輸車，在箱內(nèi)的底部設(shè)置凹槽軌道，使運輸車能夠放置其中；在箱外配備軌道，使運輸車可以沿軌道滑動。作業(yè)時，工件放置在運輸車上一并在轎廂內(nèi)進行加熱，當作業(yè)完畢，將運輸車通過軌道滑動至箱外，進行工件的吊運。

圖4 將工件放至運輸車上推進電烘箱

4.2 工藝過程

打開電烘干箱的箱門，將運輸車從轎廂內(nèi)沿軌道拉出，利用天車及吊具將完成組裝點固的枕梁吊放至運輸車上。將運輸車攜帶工件一并推進電烘箱的轎廂內(nèi)，并關(guān)上箱門，如圖4所示。啟動電烘箱電源，在箱外的控制器上設(shè)定加熱溫度以及保溫時間。

完成加熱后，將工件吊放至焊接工作臺位上，進行工裝壓緊及焊縫的焊前清理等輔助工作，正式焊接。注意：當工件出箱時，由于轎廂內(nèi)溫度較高，在手動拉出運輸車時，注意佩戴隔熱安全手套，防止燙傷。

4.3 工藝特點

利用焊槍進行火焰加熱，可通過接觸式測溫儀直接放置到工件表面，對工件溫度進行實時監(jiān)控，以確保工件的力學(xué)性能不受影響。

利用電加熱的方式進行預(yù)熱，由于中間過程不可監(jiān)控，為使工件在正式焊接前的溫度滿足預(yù)熱要求，同時更合理的安排制造工藝，從而降低制造成本，需針對此工件的結(jié)構(gòu)以及實施正式焊接作業(yè)的場地遠近，制定合適的加熱溫度及保溫時間，確保工件的力學(xué)性能強度以及避免從完成加熱到正式施焊過程中造成的溫度損失而影響焊接。

當電烘箱的轎廂內(nèi)尺寸為8 0 0 m m×1200mm×3200mm，加熱功率為36kW時，將預(yù)熱溫度設(shè)置為150℃，則相關(guān)加熱參數(shù)值見表2。

表2 電烘箱加熱參數(shù)試驗記錄

將BL-3、BL-4的數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)，在預(yù)熱溫度一定（150℃）的前提下，轎廂內(nèi)溫度越高，加熱時間越短，但通過保溫時間的調(diào)整，工件的出箱溫度基本相同，說明轎廂內(nèi)溫度與加熱時間不是影響工件焊前溫度的主要因素；只要根據(jù)實際現(xiàn)場狀況，將保溫時間、焊前停留時間做一個合適的配比，即能夠使工件的焊前溫度滿足工藝要求（100～120℃）。

另外，將轎廂內(nèi)溫度和加熱時間進行縱向?qū)Ρ纫姳?。

可以看出：當本文中所示的枕梁工件在轎廂內(nèi)進行加熱時，轎廂內(nèi)的溫度平均每分鐘上升1.8℃。

將BL-2～BL-5的出箱溫度、焊前停留時間及焊前溫度進行縱向?qū)Ρ龋姳?。

可以看出：當環(huán)境溫度為28℃時，工件在空氣中的溫度平均每分鐘下降2.27℃。

電加熱工藝過程由于采用設(shè)備進行自動加熱及電子監(jiān)控溫度，此間不占用工人的大量工時，僅需進行工件的吊上、吊下工作，平均每個工件占用工時1人次為10~20min，大大提高了工人的有效工作效率，以及降低了工件的制造成本；同時節(jié)省了工件正式焊接臺位的占用時間，使得工件正式焊接臺位的利用率大大提高。

表3 轎廂內(nèi)溫度上升與時間的對比

表4 工件溫度下降與停留時間的對比

5 結(jié)束語

1）可以利用整體烘箱式電加熱的方式對鋁合金焊接件進行焊前預(yù)熱。

2）相較傳統(tǒng)的火焰加熱工藝，電加熱工藝節(jié)省了工人的工時，節(jié)省了工件正式焊接的臺位占用時間，從而降低了工件的制造成本。

3）當采用電烘箱對工件進行整體加熱時，需在設(shè)置一定的加熱溫度后，根據(jù)環(huán)境溫度以及焊前停留時間的不同，對工件在烘箱內(nèi)的保溫時間進行調(diào)整，使工件的焊前溫度滿足焊接工藝要求。

4）當本文中所示的枕梁工件在轎廂內(nèi)進行加熱時，轎廂內(nèi)的溫度上升平均為1.8℃/min；當環(huán)境溫度為28℃時，工件在空氣中的溫度下降平均2.27℃/min。