空分裝置冷箱內鋁鎂合金管道焊接質量的控制

王軍(神華工程技術有限公司，北京 100011)

0 引言

空分裝置冷箱內精餾塔、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。部分塔類由于其超限運輸不便，一般分成兩段或多段運至現場，逐節吊裝安裝在冷箱中立式組對。這就導致冷箱內鋁鎂合金焊接量大、焊接難度大、操作空間小、坡口形式復雜、施工時間跨度較大等多種因素影響極易導致焊接中產生氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。下面就以神華榆林SYCTC-1項目100000Nm3/h空分裝置中鋁鎂合金焊接遇見到的一些預防措施、問題及處理方法進行重點分析。

1 鋁鎂合金的焊接特點分析

通常情況下，鋁鎂合金的導熱系數和比熱比鋼大一倍多，其線膨脹系數比鋼大近一倍，凝固時的收縮率比鐵大兩倍，在焊接過程中易產生較大的熱應力。鋁鎂合金的這些特性，使鋁鎂合金的焊接過程中，要進行適當的預熱，同時使用能量適中、功率大的焊接設備，以使其有較大的焊接能量，來保證焊接質量。鋁鎂合金表面極易生產難熔的氧化鋁薄膜，其熔點為2050℃，遠遠的超過了鋁鎂合金的656℃，嚴重的妨礙了基體金屬與填充金屬良好的熔合，焊接時清除不干凈，就容易在焊縫金屬內部生成氣孔。由于美鋁合金在高溫下強度和塑性都會明顯下降，導致很容易產生缺陷，并且其物力性質從固態到液態都沒有明顯變化，導致焊接工作中很難掌握溫度，所以需要主意好對焊接操作的控制。并且，鎂元素的沸點很低，在溫度較高時容易蒸發損耗，如果焊接的時間過長，焊縫中的鎂含量就會明顯降低，導致焊縫的機械性能下降。

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，應加強焊材管理，以防止錯用焊絲。焊絲直徑必須與焊接工藝評定、焊接工藝指導書、焊接層數進行嚴格把控，避免產生較大的焊接應力，造成裂紋、氣孔等缺陷的出現。焊絲使用前需進行表面油污和氧化膜清除：表面油污清除采用丙酮等有機溶劑擦除，氧化膜的清除采用機械法清理，焊絲表面采用不銹鋼絲刷(定期脫脂)或干凈的油砂紙擦洗。焊絲處理合格后應在8h內施焊。

2.2.2 氬氣的選擇

氬氣的純度應不低于99.99%，氮氣含量不超過0.105%，氧氣含量不超過0.0031%。經現場實際操作，氬氣的質量對焊縫中氣孔、裂紋有一定的影響，其質量問題一般出現在氬氣輸送管路或焊槍中發生漏氣或堵塞現象。為控制鋁鎂合金管道一次焊接合格率，神華榆林SYCTC-1項目100000Nm3/h空分裝置(見圖2)，鋁氬氣傳輸管路采用不銹鋼無縫鋼管與膠帶相結合方式進行傳輸，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項目100000Nm3/h空分裝置焊接一次合格率達到99%以上的一個重要原因。

圖2 神華榆林SYCTC-1項目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自由，可以根據個人喜好、電流情況、焊絲直徑做出靈活選擇。鎢極的端部被設計成半球形，讓電弧的熱量可以更加集中，電弧穩定性增強，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

(1)對坡口的加工可以使用銼刀、銑刀或者自轉式坡口機，也可以使用機床進行大批量加工，一般現場施工多采用銑刀、銼刀此種形式，但如果預制場地允許，盡量選取車床加工方式，即保證質量的前提又能夠有效的保證施工進度及施工效益。

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

現場施工中，坡口清理一般使用機械清理，先用有機溶劑丙酮清洗脫脂，不得使用礦物油類清潔劑，并采用手動或動力工具處理至露出金屬光澤。在坡口清理過程中，嚴禁使用砂輪進行打磨，因砂輪機打磨會使砂粒嵌入鋁件內，增加焊接難度、產生焊接缺陷。

(3)管道組對

管道內壁錯邊量要求：①壁厚小于等于5mm時，內壁錯邊量不大于0.5mm。②壁厚大于5mm時，內壁錯邊量不大于管道壁厚的10%，且不大于2mm。組對時應自然對口，不允許借助機械和人力強行對口，避免強力組對造成較大的焊接應力和變形；不可以用加偏墊等方式來消除接口端面的空隙、偏差、錯口、不同心等缺陷。盡可能減少全位置及橫焊位置的焊縫。

不等厚對接焊件組對時，當表面錯邊量大于3mm或單面焊焊縫根部錯邊量大于2mm時，加工方式如圖3所示。

2.4 焊接工藝控制

(1)一般情況下，會將焊接電流調整到較高的水平，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的焊接效果。

(2)鋁鎂合金預制焊接時，氬氣瓶應就近放置，最好不要超過5m，即氬氣輸送管路越短越好，否則氣管過長容易把空氣、氮氣等氣體帶到氬氣管內，導致焊接過程中，焊縫產生氣孔、裂紋等質量缺陷，影響焊接質量。在冷箱內焊接時，氬氣輸送管路宜采用不銹鋼無縫鋼管與膠帶相結合方式，經過現場焊接質量管控，不銹鋼管道能夠有效的控制氬氣純度，保證其焊接質量。

(3)焊前預熱

①當焊件溫度低于5℃時，應在施焊處100mm范圍內均勻預熱至15℃以上。

②每天開始焊接前或焊件表面潮濕時，應對焊件進行預熱、干燥，防止其濕度影響焊接質量。

③壁厚大于10mm的焊件，焊前對焊件進行預熱，預熱溫度宜為100～150℃。

④預熱采用氧-乙炔火焰加熱時，采用中性火焰加熱會取得最好的效果，火焰朝向坡口的同時，要控制有30°的夾角，避免正對坡口，擴大加熱的面積，而且要避免對著一點加熱，而是要控制加熱范圍在坡口的兩側100mm左右。

(4)焊接操作要點

①正式施焊前，應先在引弧板上進行試焊，待調整好各焊接參數后再開始正式焊接。

②焊接工作開始或者隔一段時間再進行焊接時，引弧工作開始之前需要通過氬氣，控制氬氣流通時間20～30s，排出其中的空氣以及用氬氣氣流將導氣管內壁中的水分帶走。

③為了避免焊接中斷或者結束之后出現裂紋、縮孔等缺陷，在收弧的時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維持氬氣8s左右，保護鎢等金屬不被氧化。

④焊接的工作必須持續進行，不能出現間斷，尤其要避免中間停留的時間過長，防止表面氧化，如果必須間斷，則要控制間斷時間在15min以內。

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

⑥進行手工氬弧焊時，必須做好對焊絲輸送和焊槍運行速度的配合，焊接的速度應該和焊接的評定相符合。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。為了避免出現氧化膜，需要在焊接過程中始終確保焊絲的端部有氬氣保護，并控制焊絲的橫向擺動在其直徑3倍以內。其焊接工藝參數按表1選用。

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

表1 手工氬弧焊工藝參數表

表2 手工雙面同步鎢極氬弧焊工藝參數表

⑧雙面同步組合焊，在該項焊接工作中，發揮主導作用的是焊縫外側的焊工。外側的焊工負責添加熔敷金屬，內側焊工負責輔助工作，不會像焊接池中添加焊絲。兩名焊工需要確保焊接速度相同，在進度上內測的焊接人員比外側略慢。為了確保同步性，可以通過焊接熔池相互感應完成速度控制。

⑨當焊件較厚需多層焊應符合下列規定：

a.除打底焊外其余焊縫宜采用多道焊；

b.多層焊時宜減少焊接層數，層間溫度嚴格控制在≤150℃；

c.每一層每一道焊完后均應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開。

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

在保證焊透及性能良好的情況下，根據焊接工藝規程，盡量采用大電流快速施焊。

在焊接的過程中，如果電極接觸到了電極或者工件，熔池的附近會有氧化發黑的情況，此時必須即刻熄弧，完成對氧化發黑位置的清理后，再繼續完成焊接。

當噴嘴上有飛濺物時，必須要將飛濺物及時清除，或者更換噴嘴。如果發現鎢的前端有污染，或者形狀不規則，需要馬上進行修正和鎢極的更換。如果焊縫有明顯的夾鎢現象，需要將鎢極、焊絲和熔池處理干凈，然后繼續完成焊接。

3 質量標準控制

(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度，焊波均勻。焊縫的位置不能有裂紋、未熔合、夾渣、過燒和氣孔等缺陷。

(2)對接焊縫射線檢測比例100%，II級合格。角焊縫滲透檢測比例100%，I級合格。

4 結語

榆林神華CTC-1項目100000Nm3/h空分裝置，在鋁鎂合金管道焊接中，嚴格的材料把控、熟練的操作技術、標準的施工流程、正確的焊接工藝，可以有效提高焊接質量。焊接一次合格率高達99.1%以上，突破以往鋁鎂合金焊接合格率低的問題，確保工程質量，縮短工程工期。.此工藝具有推廣借鑒意義。