铝和铝合金管焊接特点和方法是什么

2018-01-16

  铝是一种应用非常广泛的金属材料,不但日常生活要用到铝,航空航天、汽车等高端制造业也需铝的支撑。从1956年开始,铝的生产和消费量就超过了铜,成为最大的有色金属品种。那么,铝和铝合金管焊接特点和方法是什么呢?

  1 铝和铝合金管焊接特点和方法

  铝合金由于重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点,被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50%以上。因此,铝及铝合金除广泛地应用于航空、航天和电工等领域外,同时还越来越多的应用于石油化学工业。濮阳中原大化新建空分装置就大量使用了铝镁合金(主要有:5083、5183、5A02相当于旧牌号中的LF2、LF4)。

  但铝及铝合金在焊接过程中,易出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷等问题。此类材质是被公认为是焊接难度较大的被焊接材料,特别是小径薄壁管的焊接更难掌握。因此,解决铝及铝合金的这些焊接缺陷是施工过程中必须解决的问题。

  2 铝及铝合金的理化性能及焊接特点

  2.1 易氧化

  铝和氧的亲和力很强,在常温下,铝表面就能被氧化成厚度约0.1~0.2m致密的AL2O3薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密,能防止金属的继续氧化,对自然防腐有利,但它给焊接带来了困难,这是由于氧化铝的熔点(2050℃)远远超过了铝的熔点(600℃左右),比重约为铝的1.4倍。在焊接过程中,会阻碍金属之间的熔合,易形成夹渣,而且氧化铝薄膜还吸附了较多的水份,焊接时会促使焊缝生成气孔。

  2.2 较大的导热系数和比热容

  铝的导热系数约为钢的四倍,因此,焊接铝材管时,比钢管焊接要消耗更多的热量,为得到高质量的焊接接头,必需采用能量集中,功率大的热源。

  2.3 易形成氢气孔

  铝及铝合金的焊接气孔主要氢气孔。铝在液态时能大量吸收和溶解氢,在熔融状态下溶解度为0.0069ml/g,而在高温凝固状态下为0.00036ml/g,前后相差近20倍。铝的导热系数很大,在相同的焊接工艺条件下,其冷却速度为钢的4-7倍,使金属结晶加快,焊接熔池在快速冷却过程中,氢的溶解度急剧下降,此时析出大量过饱和气体,氢气来不及析出在焊缝金属中形成气孔。因此,在焊接铝材时,焊缝产生气孔的倾向很大。

  2.4 易形成热裂纹

  铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大约一倍,易产生较大的焊接变形和应力,加上某些杂质或合金元素的不利影响,在刚性较大的接头中将导致产生裂纹。

  2.5 烧穿和塌陷

  铝及铝合金由固态转变为液态时,由于没有明显的颜色变化,所以,不易判断熔池的温度。焊接时,常因温度过高不易被察觉而导致烧穿或严重塌陷。

  3 焊前准备

  3.1 坡口加工采用机械加工法

  加工后的坡口表面应平整、无毛刺和飞边。坡口的形式一般为V型,无钝边,坡口角度70°~75°为宜。不同壁厚的对接焊应有14°的过渡段。

  3.2 焊前准备

  焊前将焊丝、焊管坡口及其坡口内外各30~50mm范围内的油污和氧化膜清除掉,清除顺序和方法如下:用丙酮或四氯化碳等有机溶剂去除表面油污,坡口内外两侧清除范围应不小于50mm。清除油污后,焊丝采用化学法,坡口易采用机械法,试管也采用化学法清除表面氧化膜。

  机械方法,是坡口及其附近表面可用锉削、刮削、铣削或用0.2mm左右的不锈钢丝刷清除至露出金属泽,两侧的清除范围距坡口边缘应不小于30mm,使用的工具定期脱脂处理。

  化学法,是用约70℃ 5~10%的NaOH溶液浸泡30~60秒后,或用常温5~10%的NaOH溶液浸泡3分钟。接着用约15%的HNO3(常温)浸泡2分钟左右后用温水清洗。或用冷水冲洗,再使其完全干燥。对已经可靠表面处理、并未被氧化或受污染的焊丝,不再进行上述处理可直接使用。

  清理好的坡口及焊丝,在焊前不应再被玷污,若无有效的防护措施,应在8小时内施焊,否则应重新进行清理。管道组对时,应做到内壁平齐,无毛刺、粒屑,其错边量应符合b≤0.5mm。内部不加衬圈焊口,要求间隙尽可能等于零,特别是仰焊部位,管内壁应倒1~1.5mm的圆角。

  3.3 焊机的注意事项及其它

  焊机必须是交流TIG焊机,具有陡降的外特性和足够的电容量,并且有参数稳定、调节灵活和安全可靠的使用性能,还应具有引弧、稳弧和消除直流分量装置,焊机上电流、电压表应经计量部门鉴定合格。焊机在使用前,先检查接地是否完好,冷却水路和气路是否畅通,其各项功能须确保能正常工作。焊接场所应保持清洁,除应有防风、防雨雪设施外,还应保证焊接时的相对湿度≤80%,环境温>5℃。

  4 焊接工艺

  4.1 焊接材料的选择

  焊丝原则上选择与母材成分相同的铝及铝合金焊丝或板条,氩气纯度>99.95%,尽量选用大直径焊丝。在Al-Mg系铝合金的弧焊中,通常都是推荐使用CB-AMr2、CB-AMr3、CB-AMr6、CB-AMr61、CB-AMr63、1557、1577焊条,对Al-Cu系铝合金则推荐用01201和01217。

  4.2 组对与点固焊

  由于铝及铝合金管导热快、熔池结晶快,所以组对时不留间隙、钝边,应避免强制进行,以减少焊接后产生较大的残余应力,定位焊缝长度10-15mm为宜。定位焊位置在管的7点、9点、12点处,定位焊焊缝常做为正式焊缝保留,因此发现问题应及时处理。

  焊前对定位焊表面黑粉、氧化膜进行清除,并将两端修成缓坡型,焊件不需要预热,焊前在试板上试焊,当确认无气孔后再进行正式焊接。采用高频引弧,起弧点应越过中心线20mm左右,并停留不动约2-3秒,然后在保证焊透的情况下,采用大电流、快速焊,焊丝不摆动,焊丝端部不应离开氩气保护区。如离开氩气保护区,焊丝端部应剪掉,焊丝与焊缝表面的夹角宜在15°左右,焊枪与焊缝表面的夹角宜保持在80°~90°之间。

  为增大氩气保护区和增强保护效果,可采用大直径焊枪瓷嘴,加大焊枪氩气流量。当喷嘴上有明显阻碍氩气气流流通的飞溅物附着时,必须将飞溅物清除或更换喷嘴。当钨极端部出现污染,形状不规则等现象时,必须修整或更换。钨极不宜伸出喷嘴外,焊接温度的控制主要是焊接速度和焊接电流大小的控制。

  试验结果表明,大电流、快速焊能有效防止气孔的产生,这主要是由于在焊接过程中以较快速度焊透焊缝,熔化金属受热时间短,吸收气体的机会少。收弧时,注意填满弧坑,缩小溶池,避免产生缩孔,终点的结合处应焊过20~30mm。停弧后,要延迟停气6秒,可旋转的铝及铝合金管对接平焊时,焊炬应处于稍带上坡焊位置,这样有利于焊透。厚壁管子底层焊时,可不填加焊丝,但以后的焊层需加焊丝。

  5 焊接检验

  按HGJ222--92《铝及铝合金焊接技术规范》对所有焊缝进行表面和射线探伤检查。

  6 实施效果

  采用上述焊接工艺,实际的焊接施工中气孔和烧穿问题得到了有效的解决,焊接探伤合格率达到了97%。当然还存在背面成型问题,这主要依靠操作者的感觉,对操作者的技术要求较高。