空分裝置冷箱內(nèi)鋁鎂合金管道焊接質(zhì)量的控制

王軍(神華工程技術(shù)有限公司，北京 100011)

0 引言

空分裝置冷箱內(nèi)精餾塔、粗氬塔、管道由于工藝、溫度、材料特性等多種因素要求，多為鎂鋁合金。部分塔類(lèi)由于其超限運(yùn)輸不便，一般分成兩段或多段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，逐節(jié)吊裝安裝在冷箱中立式組對(duì)。這就導(dǎo)致冷箱內(nèi)鋁鎂合金焊接量大、焊接難度大、操作空間小、坡口形式復(fù)雜、施工時(shí)間跨度較大等多種因素影響極易導(dǎo)致焊接中產(chǎn)生氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。下面就以神華榆林SYCTC-1項(xiàng)目100000Nm3/h空分裝置中鋁鎂合金焊接遇見(jiàn)到的一些預(yù)防措施、問(wèn)題及處理方法進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 鋁鎂合金的焊接特點(diǎn)分析

通常情況下，鋁鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱比鋼大一倍多，其線膨脹系數(shù)比鋼大近一倍，凝固時(shí)的收縮率比鐵大兩倍，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。鋁鎂合金的這些特性，使鋁鎂合金的焊接過(guò)程中，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，同時(shí)使用能量適中、功率大的焊接設(shè)備，以使其有較大的焊接能量，來(lái)保證焊接質(zhì)量。鋁鎂合金表面極易生產(chǎn)難熔的氧化鋁薄膜，其熔點(diǎn)為2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了鋁鎂合金的656℃，嚴(yán)重的妨礙了基體金屬與填充金屬良好的熔合，焊接時(shí)清除不干凈，就容易在焊縫金屬內(nèi)部生成氣孔。由于美鋁合金在高溫下強(qiáng)度和塑性都會(huì)明顯下降，導(dǎo)致很容易產(chǎn)生缺陷，并且其物力性質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)都沒(méi)有明顯變化，導(dǎo)致焊接工作中很難掌握溫度，所以需要主意好對(duì)焊接操作的控制。并且，鎂元素的沸點(diǎn)很低，在溫度較高時(shí)容易蒸發(fā)損耗，如果焊接的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊縫中的鎂含量就會(huì)明顯降低，導(dǎo)致焊縫的機(jī)械性能下降。

2 美鋁合金管道施工工藝控制

2.1 鋁鎂合金管道焊接施工程序

鋁鎂合金管道焊接工藝如圖1所示。

圖1 鋁鎂合金管道焊接工藝

2.2 焊接材料選擇

2.2.1 焊材選擇

由于鎂元素容易在焊接中蒸發(fā)流失，所以焊接中使用的焊絲需要比母材中的鎂含量更高，應(yīng)加強(qiáng)焊材管理，以防止錯(cuò)用焊絲。焊絲直徑必須與焊接工藝評(píng)定、焊接工藝指導(dǎo)書(shū)、焊接層數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，造成裂紋、氣孔等缺陷的出現(xiàn)。焊絲使用前需進(jìn)行表面油污和氧化膜清除：表面油污清除采用丙酮等有機(jī)溶劑擦除，氧化膜的清除采用機(jī)械法清理，焊絲表面采用不銹鋼絲刷(定期脫脂)或干凈的油砂紙擦洗。焊絲處理合格后應(yīng)在8h內(nèi)施焊。

2.2.2 氬氣的選擇

氬氣的純度應(yīng)不低于99.99%，氮?dú)夂坎怀^(guò)0.105%，氧氣含量不超過(guò)0.0031%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，氬氣的質(zhì)量對(duì)焊縫中氣孔、裂紋有一定的影響，其質(zhì)量問(wèn)題一般出現(xiàn)在氬氣輸送管路或焊槍中發(fā)生漏氣或堵塞現(xiàn)象。為控制鋁鎂合金管道一次焊接合格率，神華榆林SYCTC-1項(xiàng)目100000Nm3/h空分裝置(見(jiàn)圖2)，鋁氬氣傳輸管路采用不銹鋼無(wú)縫鋼管與膠帶相結(jié)合方式進(jìn)行傳輸，雖然在成本上有所增加，但卻大大的提升了焊接一次合格率，這也是神華榆林SYCTC-1項(xiàng)目100000Nm3/h空分裝置焊接一次合格率達(dá)到99%以上的一個(gè)重要原因。

圖2 神華榆林SYCTC-1項(xiàng)目100000Nm3/h空分裝置

2.2.3 鎢棒的選擇

鎢極選擇鈰鎢棒，采用較大鎢極直徑(3.0～5.0mm)，以保證可以承受更大的焊接電流，鎢極的直徑選擇相對(duì)自由，可以根據(jù)個(gè)人喜好、電流情況、焊絲直徑做出靈活選擇。鎢極的端部被設(shè)計(jì)成半球形，讓電弧的熱量可以更加集中，電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，焊縫成形較好，鎢極燒損小，不易形成夾鎢缺陷。

2.3 破口加工、焊口清理和焊件組對(duì)

(1)對(duì)坡口的加工可以使用銼刀、銑刀或者自轉(zhuǎn)式坡口機(jī)，也可以使用機(jī)床進(jìn)行大批量加工，一般現(xiàn)場(chǎng)施工多采用銑刀、銼刀此種形式，但如果預(yù)制場(chǎng)地允許，盡量選取車(chē)床加工方式，即保證質(zhì)量的前提又能夠有效的保證施工進(jìn)度及施工效益。

(2)清理焊件的坡口及其內(nèi)外兩側(cè)的寬度不宜小于50mm，清理焊口可采用機(jī)械方法或化學(xué)方法兩種。

現(xiàn)場(chǎng)施工中，坡口清理一般使用機(jī)械清理，先用有機(jī)溶劑丙酮清洗脫脂，不得使用礦物油類(lèi)清潔劑，并采用手動(dòng)或動(dòng)力工具處理至露出金屬光澤。在坡口清理過(guò)程中，嚴(yán)禁使用砂輪進(jìn)行打磨，因砂輪機(jī)打磨會(huì)使砂粒嵌入鋁件內(nèi)，增加焊接難度、產(chǎn)生焊接缺陷。

(3)管道組對(duì)

管道內(nèi)壁錯(cuò)邊量要求：①壁厚小于等于5mm時(shí)，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不大于0.5mm。②壁厚大于5mm時(shí)，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不大于管道壁厚的10%，且不大于2mm。組對(duì)時(shí)應(yīng)自然對(duì)口，不允許借助機(jī)械和人力強(qiáng)行對(duì)口，避免強(qiáng)力組對(duì)造成較大的焊接應(yīng)力和變形；不可以用加偏墊等方式來(lái)消除接口端面的空隙、偏差、錯(cuò)口、不同心等缺陷。盡可能減少全位置及橫焊位置的焊縫。

不等厚對(duì)接焊件組對(duì)時(shí)，當(dāng)表面錯(cuò)邊量大于3mm或單面焊焊縫根部錯(cuò)邊量大于2mm時(shí)，加工方式如圖3所示。

2.4 焊接工藝控制

(1)一般情況下，會(huì)將焊接電流調(diào)整到較高的水平，從而確保焊接工作的速度，還能充分利用美鋁合金的焊接特性，確保焊透和融合，而且也能保證焊縫兩側(cè)的焊接效果。

(2)鋁鎂合金預(yù)制焊接時(shí)，氬氣瓶應(yīng)就近放置，最好不要超過(guò)5m，即氬氣輸送管路越短越好，否則氣管過(guò)長(zhǎng)容易把空氣、氮?dú)獾葰怏w帶到氬氣管內(nèi)，導(dǎo)致焊接過(guò)程中，焊縫產(chǎn)生氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷，影響焊接質(zhì)量。在冷箱內(nèi)焊接時(shí)，氬氣輸送管路宜采用不銹鋼無(wú)縫鋼管與膠帶相結(jié)合方式，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量管控，不銹鋼管道能夠有效的控制氬氣純度，保證其焊接質(zhì)量。

(3)焊前預(yù)熱

①當(dāng)焊件溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)在施焊處100mm范圍內(nèi)均勻預(yù)熱至15℃以上。

②每天開(kāi)始焊接前或焊件表面潮濕時(shí)，應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱、干燥，防止其濕度影響焊接質(zhì)量。

③壁厚大于10mm的焊件，焊前對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度宜為100～150℃。

④預(yù)熱采用氧-乙炔火焰加熱時(shí)，采用中性火焰加熱會(huì)取得最好的效果，火焰朝向坡口的同時(shí)，要控制有30°的夾角，避免正對(duì)坡口，擴(kuò)大加熱的面積，而且要避免對(duì)著一點(diǎn)加熱，而是要控制加熱范圍在坡口的兩側(cè)100mm左右。

(4)焊接操作要點(diǎn)

①正式施焊前，應(yīng)先在引弧板上進(jìn)行試焊，待調(diào)整好各焊接參數(shù)后再開(kāi)始正式焊接。

②焊接工作開(kāi)始或者隔一段時(shí)間再進(jìn)行焊接時(shí)，引弧工作開(kāi)始之前需要通過(guò)氬氣，控制氬氣流通時(shí)間20～30s，排出其中的空氣以及用氬氣氣流將導(dǎo)氣管內(nèi)壁中的水分帶走。

③為了避免焊接中斷或者結(jié)束之后出現(xiàn)裂紋、縮孔等缺陷，在收弧的時(shí)候就需要加入更多的金屬，然后再減弱焊接電流。在斷弧之后還要繼續(xù)維持氬氣8s左右，保護(hù)鎢等金屬不被氧化。

④焊接的工作必須持續(xù)進(jìn)行，不能出現(xiàn)間斷，尤其要避免中間停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，防止表面氧化，如果必須間斷，則要控制間斷時(shí)間在15min以內(nèi)。

⑤焊縫清理弧坑后，然后找準(zhǔn)引弧點(diǎn)，在引弧板或坡口內(nèi)引弧(引弧板的材質(zhì)與母材相同)，禁止在非焊接部位引弧導(dǎo)致母材受損。

⑥進(jìn)行手工氬弧焊時(shí)，必須做好對(duì)焊絲輸送和焊槍運(yùn)行速度的配合，焊接的速度應(yīng)該和焊接的評(píng)定相符合。一般采取快速少加焊絲的方式，并控制焊絲和焊縫保持15°夾角，而焊槍和焊縫之間的夾角一般在80°左右。為了避免出現(xiàn)氧化膜，需要在焊接過(guò)程中始終確保焊絲的端部有氬氣保護(hù)，并控制焊絲的橫向擺動(dòng)在其直徑3倍以內(nèi)。其焊接工藝參數(shù)按表1選用。

⑦直徑大于DN500的管道對(duì)接焊縫，底層焊接采用手工雙面同步鎢極氬弧焊工藝，其工藝參數(shù)按表2選用。

表1 手工氬弧焊工藝參數(shù)表

表2 手工雙面同步鎢極氬弧焊工藝參數(shù)表

⑧雙面同步組合焊，在該項(xiàng)焊接工作中，發(fā)揮主導(dǎo)作用的是焊縫外側(cè)的焊工。外側(cè)的焊工負(fù)責(zé)添加熔敷金屬，內(nèi)側(cè)焊工負(fù)責(zé)輔助工作，不會(huì)像焊接池中添加焊絲。兩名焊工需要確保焊接速度相同，在進(jìn)度上內(nèi)測(cè)的焊接人員比外側(cè)略慢。為了確保同步性，可以通過(guò)焊接熔池相互感應(yīng)完成速度控制。

⑨當(dāng)焊件較厚需多層焊應(yīng)符合下列規(guī)定：

a.除打底焊外其余焊縫宜采用多道焊；

b.多層焊時(shí)宜減少焊接層數(shù)，層間溫度嚴(yán)格控制在≤150℃；

c.每一層每一道焊完后均應(yīng)徹底清除焊道氧化物、夾渣等缺陷，并消除各種表面缺陷；

d.各層各道的焊接接頭要錯(cuò)開(kāi)。

⑩鋁合金管道、管件在焊接的工作中，要禁止出現(xiàn)的翻動(dòng)和管道震動(dòng)。如果焊件需要翻轉(zhuǎn)，需要將金屬縫的溫度冷卻到150℃以下，再對(duì)焊件輕輕的翻動(dòng)。

在保證焊透及性能良好的情況下，根據(jù)焊接工藝規(guī)程，盡量采用大電流快速施焊。

在焊接的過(guò)程中，如果電極接觸到了電極或者工件，熔池的附近會(huì)有氧化發(fā)黑的情況，此時(shí)必須即刻熄弧，完成對(duì)氧化發(fā)黑位置的清理后，再繼續(xù)完成焊接。

當(dāng)噴嘴上有飛濺物時(shí)，必須要將飛濺物及時(shí)清除，或者更換噴嘴。如果發(fā)現(xiàn)鎢的前端有污染，或者形狀不規(guī)則，需要馬上進(jìn)行修正和鎢極的更換。如果焊縫有明顯的夾鎢現(xiàn)象，需要將鎢極、焊絲和熔池處理干凈，然后繼續(xù)完成焊接。

3 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制

(1)外觀檢查：焊縫表面的形狀必須平整，能夠和母材形成圓滑的過(guò)度，焊波均勻。焊縫的位置不能有裂紋、未熔合、夾渣、過(guò)燒和氣孔等缺陷。

(2)對(duì)接焊縫射線檢測(cè)比例100%，II級(jí)合格。角焊縫滲透檢測(cè)比例100%，I級(jí)合格。

4 結(jié)語(yǔ)

榆林神華CTC-1項(xiàng)目100000Nm3/h空分裝置，在鋁鎂合金管道焊接中，嚴(yán)格的材料把控、熟練的操作技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的施工流程、正確的焊接工藝，可以有效提高焊接質(zhì)量。焊接一次合格率高達(dá)99.1%以上，突破以往鋁鎂合金焊接合格率低的問(wèn)題，確保工程質(zhì)量，縮短工程工期。.此工藝具有推廣借鑒意義。