鋁合金罐體焊接缺陷及工藝措施

王麗輝

遼寧裝備制造職業技術學院（沈陽　110161）

鋁合金罐體焊接缺陷及工藝措施

王麗輝

遼寧裝備制造職業技術學院（沈陽110161）

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

鋁合金罐體；氣孔；裂紋；工藝措施

隨著電力行業的發展，輸變電設備的電壓等級越來越高，特別是高壓和超高壓開關設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。因此鋁合金罐體的焊接質量制約著設備的整體質量。生產制造過程中，在焊接后對鋁合金罐體環焊縫進行射線檢驗和著色檢驗時發現，焊接后的鋁罐時有氣孔、夾鎢和熱裂紋缺陷，本文針對上述缺陷原因進行分析，并在此基礎以上制定合理的工藝，有效杜絕此類缺陷的再次發生，保證了鋁罐的質量。

1　鋁罐缺陷

鋁合金罐體焊后射線檢驗時發現氣孔（圖1、圖2）、夾鎢（圖3），著色檢驗時發現有罐體出現焊縫縱裂紋（圖4）。

2　缺陷原因分析

2.1鋁合金焊接性

鋁罐選用的材質為5083鋁合金，該材質易被氧化，在表面生成高熔點、不導電、致密性高的Al2O3氧化膜。焊接時如果氧化膜去除不徹底，則不僅增加焊接難度，而且還會因氧化膜表面吸附大量水分易生成氣孔。同時由于鋁合金本身熱傳導性好，焊接時溫度場變化大；熱膨脹系數大，是鋼的2倍，凝固收縮率約6.5%，在拘束條件下焊接應力大，易產生裂紋［1］。鋁合金在固態向液態轉化時無顏色變化，在焊接操作方面帶來了一定的困難，過熱時易導致接頭軟化，造成強度、塑性的降低。

2.2氣孔

射線檢測結果顯示，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，經驗得知，該氣孔為氫氣孔。鋁合金焊接中在凝固點時氫的溶解度從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、焊絲有雜質所含水分及保護氣純度不達標或流量不當至空氣中水分進入熔池。鋁罐所用保護氣體為純度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。

圖1　焊縫鏈狀氣孔

圖2　密集型氣孔

2.3夾鎢

圖3為環焊縫射線檢驗圖像，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鎢極觸碰到熔池所致，鋁罐焊接采用的是MIG焊接2層、自動TIG蓋面、背面清根后自動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選擇不當。

2.4裂紋

圖4著色檢驗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層間溫度不當、收弧時弧坑未填滿等都可能造成微裂紋；焊縫熔池凝固時產生較大的應力等都可增大熱裂紋傾向。

3　改進后工藝

上述分析顯示，鋁罐焊接缺陷產生的主要原因來自工藝，多次試驗后，制定改進后工藝方案如下：

3.1嚴格控制焊縫水分

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

圖3　焊縫夾鎢

圖4　焊縫裂紋

3.2焊前正確預熱

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

3.3嚴格控制層間溫度

層間溫度控制在200℃以內。避免層間溫度過高，防止產生熱裂紋。嚴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生微裂紋［4］。

3.4合理設置焊接工藝參數

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

表1　5083鋁合金罐體工藝參數表

3.5鋁罐缺陷的返修處理

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

4　結語

（1）按上述改進后工藝焊接的鋁合金罐體，經過射線和滲透檢驗，全部達到質量要求，未再次出現焊接缺陷。

（2）合理設置焊接工藝規范、生產中嚴格執行工藝，是產品質量的有效保障。

（3）本工藝的研究，有效的保證我國高電壓等級輸變電設備的制造質量；同時，也為類似的鋁合金結構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：機械工業出版社，2006：448-449.

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

［3］魏兆中.鋁合金焊接裂紋產生的原因和預防措施［J］.黃河水利職業技術學院學報.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生與防止［J］.焊接技術.2014.43（12）：79-80.

（責任編輯：文婷）

TG441.7

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1003-3319（2016）03-00007-02

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0007