铝及铝镁合金管道焊接工艺

目录一、绪论 21.1铝合金的分类、成分和性能 21.2铝合金的焊接性特点 4三、纯铝及铝镁合金管道的焊接特点 5四、铝及铝镁合金的焊接方法和材料选用 54.1铝合金的焊接方法 54.2铝用焊接材料 8五、铝镁合金管道的施工工艺 10六、铝镁合金管道常见的焊接缺陷及防止措施 11七、参考文献 12一、绪论铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等，对正确制定铝合金的焊接工艺，获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。1.1铝合金的分类、成分和性能（1）铝合金的分类铝合金可分为变形铝合金、铸造铝合金。变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料；铸造铝合金以合金铸锭供应。铝合金分类状态示意见图1-1。铝合金的分类及性能特点见表1-1。表1.1铝合金的分类及性能特点（2）铝合金的性能铝合金的物理性能见表1.2。表1.2铝合金的物理性能1.2铝合金的焊接性特点铝合金熔化焊时有如下困难和特点：（1）铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝膜远远超过铝的熔点，这层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接或钎焊过程中应将氧化膜清除或破坏掉。（2）熔焊时，铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上。在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不同。（3）铝合金的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时难以控制熔池温度。（4）焊后焊缝易产生气孔，焊接接头区易发生软化。对铝合金进行焊接，可以用多种不同的焊接方法，表1.3所列的为部分铝合金的相对焊接性。表1.3部分铝合金的相对焊接性三、纯铝及铝镁合金管道的焊接特点铝镁合金熔点低，约为500℃左右，但铝镁合金在高温下很容易在空气中被氧化生成氧化镁氧化膜，覆盖熔池，影响基本金属与填充物金属良好的熔合，从而在焊接过程中容易产生氧化物夹渣、未熔合、气孔等缺陷。纯铝的比重较轻，为2.7g/cm3,铝镁合金的比重稍微大于纯铝的比重。但氧化镁的比重为3.2g/cm3,在焊接过程中形成的氧化镁混杂在比重较轻的熔化的金属液中不易排出，容易使焊缝夹渣，存在夹渣的焊缝又容易产电化腐蚀，同时薄壁管道焊接时由于高熔点氧化膜覆盖熔池，温度不易控制，焊缝易产生烧穿现象。铝镁合金熔点低，易熔化，但其比热和熔化热量较大，导热率大，局部加热比较困难。焊接时，必须采用能量集中，功率大的焊接设备。当保护气体氩气不纯和存在水份时，镁在焊接过程中与水发生化学反应，生成氧化镁和氢气。铝镁合金的熔池容易吸收气体，高温下溶入大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及排出，聚集在焊缝中形成气孔。铝镁合金膨胀系数较大，在焊接过程中易产生较大的热应力。同时在高温下，铝镁合金的塑性和强度较低，易产生塌陷，给焊工掌握温度带来较大困难。因此在焊接过程中，施工人员一定要正确选择焊接规范，严格控制施焊电流，确保施工质量和进度。四、铝及铝镁合金的焊接方法和材料选用4.1铝合金的焊接方法铝镁合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝镁合金焊接在一起。铝镁合金常用焊接方法的特点及适用范围见表4.1。应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。表4.1铝合金常用焊接方法的特点及适用范围（1）气焊氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。（2）钨极氩弧焊这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。（3）熔化极氩弧焊自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。（4）脉冲氩弧焊1）钨极脉冲氩弧焊用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。2）熔化极脉冲氩弧焊可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。（5）电阻点焊、缝焊可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。（6）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。4.2铝用焊接材料（1）焊丝采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂性等。选择熔化温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。对于非热处理合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。含镁3%以上的5000系的焊丝，应避免在使用温度65℃以上的结构中采用，因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂。用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止焊缝金属的裂纹倾向。目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝。在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂。选用铝合金焊丝应注意的问题如下。1）焊接接头的裂纹敏感性影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其熔化温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为Al－Mg－Cu有很高的裂纹敏感性。2）焊接接头的力学性能工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。3）焊接接头的使用性能填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。（2）焊条铝合金焊条型号、规格与用途见表4.2。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表4.3。表4.2铝及铝合金焊条的型号（牌号）、规格与用途表2.3铝及铝合金焊条的化学成分和力学性能（3）保护气体焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。氩气的技术要求为Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氢＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。氧＞0.3%，则使钨极烧损加剧，超过0.1%使焊缝表面无光泽或发黑。钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板；直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar。熔化极氩弧焊时，当板厚＜25㎜时，采用纯Ar。当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合气体。当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混合气体。当板厚＞75㎜时，推荐添加50%～75%He的Ar+He混合气体。五、铝镁合金管道的施工工艺（一）铝镁合金管道的施工流程施工准备（焊工培训、焊机选择、焊材选择等）管道除油管道下料坡口加工焊件组对焊接焊缝检验管道系统试压管道系统吹扫管道复位管道气密性试验。（二）焊接工艺评定及焊工考试施工前根据焊接工艺评定编制焊接作业指导书，并对焊工进行培训和考试，合格者方能施工，且不能超项施焊。（三）铝镁合金管道的坡口加工、清理和组对坡口可用铣刀、锉刀进行加工。清理焊件的坡口及其内外两侧的宽度不少于20mm。多层焊时，层间要用不锈钢丝刷清理表面氧化膜，对影响下层焊接质量的过高焊肉，弧坑和其他缺陷用锉刀除去。焊接操作过程中应注意保持焊枪、焊丝和焊件待焊部分三者之者的空间位置。焊丝与焊件之间的夹角为10～20°，焊枪与焊件之间应尽量保持垂直。输送焊丝和焊枪的运行速度要配合好，一般采用快送、少加焊丝的填丝方法，焊丝端部要始终处理氩气的保护范围之内，防止氧化膜形成。焊接施工环境条件：环境温度不低于5℃。相对湿度在80%以内焊接区域应设置适当的防护措施，使其不受风、雨、雪的侵袭。施工时注意事项：施工现场要保持清洁。焊前要仔细检查焊件，焊丝表面的清理情况及焊机的控制线路、水路、电路系统的工作情况。严禁在管道表面任意引弧，焊接前在引弧板上试焊，测定提前送氩气。六、铝镁合金管道常见的焊接缺陷及防止措施（1）气孔形成原因:焊接前,焊丝或母材坡口附近没有清理干净；焊接时,氩气流量小,喷咀内不干净或有水汽;焊速过快,氩气不纯,钨极伸出过长。防止措施:焊丝,坡口要清理干净,妥善保管,喷咀在焊前吹干净。保证氩气纯度,正确选择焊接规范,焊前应将氩气管内的空气排尽,填充焊丝要稳准,避免搅乱气流,带入空气。正确调整钨极伸出长度。焊接速度要适中,让溶解在熔池的气体有充分时间逸出,必要时需考虑预热。（2）未焊透形成原因:技术不熟练,不细心,焊接电流太小,焊速太快,弧长过大,组对间隙太小,钝边太大,坡口角度太小,表面和层间存在氧化物。防止措施:提高技术操作水平;选择合适的焊接规范参数,调整合适的坡口及组对间隙;加强焊前坡口周围清理。（3）裂纹形成原因:焊丝选用不当,焊缝金属中镁含量不足;构件拘束度过大,应力大;弧坑未填满;熔池过大过热。防止措施:正确选择焊丝型号,合理安排焊接顺序,采用电流衰减填满弧坑,选择合适电流。（4）焊缝外观不良形成原因:焊接时,电弧不稳定,钨极污染,气体保护不充分,焊接规范不正确。防止措施:保持正确的电弧长度,减小直流分量,钨极伸出长度适当,提高操作技术水平和熟练程度,调整选择合适的氩气流量,使熔池保护良好,防止穿堂风;正确选择电极材料及尺寸,规范参数。总