工業(yè)純鋁焊接工藝研究

高 敏，李 海，王志強(qiáng)

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.豐滿發(fā)電廠 電氣工程處，吉林 吉林 132108；3.吉林石化公司電石廠，吉林 吉林 132022)

鋁材具有可塑性能高、耐蝕性能強(qiáng)且易承受壓力加工和拉伸的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的儲(chǔ)罐、塔器、熱交換器及一些深冷設(shè)備中.在空氣中，鋁的表面極易形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能阻止母材進(jìn)一步被氧化，由于這一特點(diǎn)，使鋁金屬在濃硝酸儲(chǔ)存和濃硝酸輸送管線中得到了廣泛的應(yīng)用[1].某公司研發(fā)的新型濃硝酸鐵道罐車，就采用了中厚板純鋁材料進(jìn)行制造.

1 焊接難點(diǎn)分析

由于鋁材特殊的物理化學(xué)特性，其焊接工藝特點(diǎn)與鋼比較有很大的不同，如表1所示.

1.1 焊接熱源

表1中顯示鋁材比熱容約為低碳鋼和不銹鋼的兩倍、熱導(dǎo)率則是低碳鋼的五倍、奧氏體不銹鋼的十倍.焊接過(guò)程中，一少部分能量用來(lái)熔化金屬[2]，大部分能量則消耗在金屬的其他部位，這種無(wú)用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著.為保證焊接接頭質(zhì)量，焊接時(shí)需采用相對(duì)集中的、大功率的熱源，附加預(yù)熱等工藝措施[3].

表1 鋁與鋼的物理化學(xué)性能

1.2 氣孔的產(chǎn)生

純鋁在空氣中被氧化后，會(huì)在表面生成一層致密的氧化膜，這層膜熔點(diǎn)高且非常穩(wěn)定，會(huì)阻礙母材后續(xù)發(fā)生的熔化和熔合，鋁材的表面氧化膜、母材和焊材表面所吸附的水分，是產(chǎn)生氫氣孔的主要原因；另外，純液態(tài)鋁中溶解了大量的氫，固態(tài)鋁卻幾乎不溶解氫，其溶解度相差近二十倍.在高溫時(shí)，熔化的鋁液中吸收大量氫分子；在凝固時(shí)，氫的溶解度突變，以氣泡的形式溢出.由于鋁的熱導(dǎo)率大，熔池冷卻速度快，焊縫中的氫來(lái)不及溢出，就在凝固的焊縫中形成氫氣孔[4].

1.3 焊接變形

在表1中，純鋁的線膨脹系數(shù)比低碳鋼的高出兩倍.所以當(dāng)純鋁凝固時(shí)，體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%[5]，焊件的變形和應(yīng)力較大.因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施.生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生.

1.4 焊接操作難度大

純鋁具有較強(qiáng)的反光射能力，在焊接時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，表面顏色無(wú)明顯變化，因此在焊接過(guò)程中，給操作者帶來(lái)不少困難[6]，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷；另外，高溫純鋁的強(qiáng)度不足，難以支撐熔池，極易造成焊穿.

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1050A(H112)，規(guī)格為500 mm×240 mm×24 mm，鋁含量為99.5%.焊縫填充材料的選擇應(yīng)依據(jù)母材的成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能及其它使用性能，工業(yè)純鋁宜采用純度不低于母材的填充材料，試驗(yàn)焊絲應(yīng)采用鋁合金焊絲SAL1450，規(guī)格為Φ4 mm和Φ5 mm.所采用的母材、焊材的具體成分見(jiàn)表2，焊接過(guò)程中采用高純度(99.99%)氬氣作為保護(hù)[7]，氬氣具有較高的熱輸入，可使熔滴過(guò)程非常穩(wěn)定、容易控制.

表2 母材和焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2.2 焊前準(zhǔn)備

焊接試驗(yàn)中焊接試件采用X型坡口，坡口角度為80°、組對(duì)間隙5 mm、10 mm鈍邊.試件坡口部位及其兩邊各50 mm范圍內(nèi)要用有機(jī)溶劑(如汽油、丙酮)擦去油污[8]、灰塵及其他有害雜質(zhì)，之后用不銹鋼絲刷清除掉附著在金屬表面的氧化膜，試板狀態(tài)如圖1所示.如果焊前清理不到位或者預(yù)熱溫度不夠，焊縫中就很容易出現(xiàn)氣孔、夾雜、未熔合等缺陷[9].

焊材采用真空包裝的表面拋光焊絲，開封后未使用完的焊絲需存放于100 ℃的保溫箱中隨用隨取.

2.3 焊接方法及試驗(yàn)參數(shù)

鋁制化工設(shè)備通常采用鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊，熔化極氬弧焊適用范圍較廣，可以在4 mm厚度以上的工件焊接任何位置的焊縫，并能得到優(yōu)良的焊接質(zhì)量[10].試驗(yàn)采用鎢極脈沖氬弧焊、雙面同步打底，自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)、填充蓋面工藝.焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)，如表3所示.

表3 焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無(wú)損檢測(cè)

焊后對(duì)試件進(jìn)行100%RT檢測(cè)，有分散的幾個(gè)氣孔，符合NB/T47013.5-2015 Ⅱ級(jí)合格如圖2所示；對(duì)焊縫表面進(jìn)行100%PT檢測(cè)，無(wú)表面缺陷，符合JB/T4730.2-2005 Ⅰ級(jí)合格.

圖1 坡口形式和清潔狀態(tài) 圖2 射線檢測(cè)結(jié)果

3.2 彎曲試驗(yàn)

取四個(gè)橫向側(cè)彎試樣，將焊縫余高去除，試樣的金屬焊縫中心正對(duì)彎心軸線，保證焊縫金屬以及熱影響區(qū)完全分布在試樣的彎曲部分內(nèi)，試驗(yàn)后觀察彎曲面無(wú)開口缺陷.

3.3 拉伸試驗(yàn)

分別制取母材、焊接接頭拉伸試樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，焊接接頭斷裂位置在焊縫中心，試樣斷面無(wú)氣孔、未熔合缺陷.

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

采用鎢極脈沖氬弧焊、自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊對(duì)鋁材進(jìn)行焊接，焊縫區(qū)域焊前必須清理干凈；嚴(yán)格執(zhí)行工藝操作規(guī)程；選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù).在濃硝酸鐵路罐車的制造過(guò)程中應(yīng)用此工藝，焊縫成型美觀，通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行RT檢測(cè)、PT檢測(cè)、彎曲和拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合要求、焊縫探傷合格率達(dá)到96%.