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【关键词】空分冷箱,铝合金管道,焊接及无损检测 【论文摘要】文中根据中石油宁夏石化分公司空分装置大小冷箱改造中， 铝镁合金管道对接焊缝的焊接及其X射线无损检测中的技术问题， 讨论了铝合金焊接过程中焊接缺陷的产生和防止，绘出了X射线无损检测的技术参数。 |
化肥厂空分装置大小冷箱的配管材料均采用铝镁合金，主要为LF2、LF4及LF21。对接接头的焊接质量决定了空分设备的安全运行周期。铝及其合金在焊接过程中易产生较多的焊接缺陷，常见的有气孔、根部本焊透、内凹以及焊接热裂纹。其焊接接头X射线无损检测的参数与普通碳钢相比也有不同。 文中根据中石油宁夏石化分公司空分装置大小冷箱改造中， 铝镁合金管道对接焊缝的焊接及其X射线无损检测中的技术问题， 讨论了铝合金焊接过程中焊接缺陷的产生和防止，绘出了X射线无损检测的技术参数。
1 焊接缺陷
铝及铝镁合金的焊接气孔主要是氢气孔。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，氢气来不及选出在焊缝金属中形成气孔①。焊件组对质量和施焊位置对铝镁合金管件的焊接质量尤为重要。组对间隙过小、钝边过大、坡口角度太小及错边量超标等，极易在立焊和仰焊位置产生根部未熄透。空分管道多数是弯头，其厚度多大于直管段厚度，虽然经厚度过渡，但两边单位体积不同，导热量和散热量也有所不同，如果不注意焊枪角度和焊丝位置角度的调整，很容易形成单边根部未焊透。
焊件的焊前表面处理也是影响焊接质量的1个因素， 焊件表面氧化膜清除不彻底、存有油污等杂质，焊接电流小、电弧过长、速度过快，都可以使焊接熔化温度不够而造成根部本焊透。铝及铝镁合金在高温下随温度的不断升高， 其抗拉强度会越来越低，在400℃时，它的抗拉强度仅为 9．8N／mm2。当温度升到熔化温度时，抗拉强度几乎为0，已不能支撑自身的质量。接近熔化温度时，铝本身几乎没有塑性。达到熔化状态时，液态铝的流动性又非常强。 这3者并存决定了它必然要产生一定程度的内凹。管壁越厚，内凹越严重。所以，立焊时也极易下堵，成型过程中形成的焊瘤较多，严重时会烧穿管壁。
铝合金的导热系数大，冷却速度快，熔池的一次结晶速度也快。其线膨胀系数是钢的2倍， 凝固时的体积收缩率为6．5％左右。所以铝焊缝的内应力及焊接接头刚性拘束力都较大，若组对应力过大，复杂的受力状态会使焊缝产生热裂纹。氧化膜和其它夹渣物的存在，可使其焊缝强度降低。
焊接速度过漫，熔池温度过高，会造成镁和锌的烧损。焊接小管径及薄壁管可导致合金元素烧损，这种过烧会产生结晶组织氧化和疏松。
2 焊接工艺
根据铝镁合金的特点以及现场焊接过程中可能遇到的情况，采取以下工艺措施防止各类缺陷的发生。①清理焊件和焊丝，保证其施焊表面无污物和氧化膜，焊丝必须按规定进行清洗和烘干。②尽量选用大直径焊丝，氮气的纯度在99．99％以上，其水分的含量小于0．08％， 必要时应进行干燥处理。③确保焊缝的组对间隙和错边量均符合要求。 厚度较大的焊件采用U形坡回，以缩短加热时间，更厚一些就增加组对间隙到5～8mm。也可采用铝衬垫，焊接时连同垫圈一起焊接。④选择稍大一点的焊接线能量，控制好焊接速度与送丝的位置、深度、角度和方式。施焊前应适当预热，尽量缩短加热时间和熔池停留时间。根据工件的厚度和形状尺寸选择适当的预热温度，以减缓冷却速度，降低接头的内应力。可采取自由伸缩或加固点焊，附加背板、引弧板、收弧板以及收弧时采用衰减电流填满弧坑等方法，也可采用合适的焊接顺序和方法，如跳焊和倒退焊等。⑤焊完前半圈进行散热，冷却到一定温度后，再焊后半圈。半圈和收尾处不得温度过高。焊接之前对焊件进行脱脂处理。
按上述方法制订的焊接工艺参数见表1。
表1 焊接工艺参数
工件厚 焊丝直 焊接电 焊丝直 喷嘴内 氩气流量 焊接速度 预热温
度／mm 径／mm 流／A 径／mm 径／mm ／L·min-1 /mm·min－1 度／℃
1．0 2 60～80 2 8 4～5 250
1．5～2．0 2～3 80～140 2～3 8～10 6～8 300
3．0～6．0 3～4 120～200 4～6 10～12 10～12 250
6. 0～8．0 4～5 150～230 5～6 12～14 12～14 250 50～100
8．0～10．0 5～6 280～300 6～8 12～14 250 80～100
注：板厚1－1．5mm时不加填充焊丝，电流可减少10％～25％。
3 X射线检测
由于铝和铝合金原子较轻，进行X射线透照时与碳钢不同，应依据JB 4730－94《压力容器无损检测》第5．1条铝及铝合金制压力容器焊缝及钢管对接环缝无损检测的规定执行， 并参照该标准评级。在宁夏石化分公司的空分装置中采用X射线透照的工艺参数见表2。
表2 X射线透照参数
设备 射线能量／kV 透照方式 象质计 透照时间／s 底片型号理学2505 110 双壁单影 铝 6～18 天津V型
焊接及无损检测的结果表明，采用以上规范，铝镁合金焊接的缺陷得到了有效控制。
4 结语
铝及铝镁合金的焊接和探伤都与普通碳钢和不锈钢不同，实践证明，文中提出的探伤规范是切实可行的。
1 焊接缺陷
铝及铝镁合金的焊接气孔主要是氢气孔。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，氢气来不及选出在焊缝金属中形成气孔①。焊件组对质量和施焊位置对铝镁合金管件的焊接质量尤为重要。组对间隙过小、钝边过大、坡口角度太小及错边量超标等，极易在立焊和仰焊位置产生根部未熄透。空分管道多数是弯头，其厚度多大于直管段厚度，虽然经厚度过渡，但两边单位体积不同，导热量和散热量也有所不同，如果不注意焊枪角度和焊丝位置角度的调整，很容易形成单边根部未焊透。
焊件的焊前表面处理也是影响焊接质量的1个因素， 焊件表面氧化膜清除不彻底、存有油污等杂质，焊接电流小、电弧过长、速度过快，都可以使焊接熔化温度不够而造成根部本焊透。铝及铝镁合金在高温下随温度的不断升高， 其抗拉强度会越来越低，在400℃时，它的抗拉强度仅为 9．8N／mm2。当温度升到熔化温度时，抗拉强度几乎为0，已不能支撑自身的质量。接近熔化温度时，铝本身几乎没有塑性。达到熔化状态时，液态铝的流动性又非常强。 这3者并存决定了它必然要产生一定程度的内凹。管壁越厚，内凹越严重。所以，立焊时也极易下堵，成型过程中形成的焊瘤较多，严重时会烧穿管壁。
铝合金的导热系数大，冷却速度快，熔池的一次结晶速度也快。其线膨胀系数是钢的2倍， 凝固时的体积收缩率为6．5％左右。所以铝焊缝的内应力及焊接接头刚性拘束力都较大，若组对应力过大，复杂的受力状态会使焊缝产生热裂纹。氧化膜和其它夹渣物的存在，可使其焊缝强度降低。
焊接速度过漫，熔池温度过高，会造成镁和锌的烧损。焊接小管径及薄壁管可导致合金元素烧损，这种过烧会产生结晶组织氧化和疏松。
2 焊接工艺
根据铝镁合金的特点以及现场焊接过程中可能遇到的情况，采取以下工艺措施防止各类缺陷的发生。①清理焊件和焊丝，保证其施焊表面无污物和氧化膜，焊丝必须按规定进行清洗和烘干。②尽量选用大直径焊丝，氮气的纯度在99．99％以上，其水分的含量小于0．08％， 必要时应进行干燥处理。③确保焊缝的组对间隙和错边量均符合要求。 厚度较大的焊件采用U形坡回，以缩短加热时间，更厚一些就增加组对间隙到5～8mm。也可采用铝衬垫，焊接时连同垫圈一起焊接。④选择稍大一点的焊接线能量，控制好焊接速度与送丝的位置、深度、角度和方式。施焊前应适当预热，尽量缩短加热时间和熔池停留时间。根据工件的厚度和形状尺寸选择适当的预热温度，以减缓冷却速度，降低接头的内应力。可采取自由伸缩或加固点焊，附加背板、引弧板、收弧板以及收弧时采用衰减电流填满弧坑等方法，也可采用合适的焊接顺序和方法，如跳焊和倒退焊等。⑤焊完前半圈进行散热，冷却到一定温度后，再焊后半圈。半圈和收尾处不得温度过高。焊接之前对焊件进行脱脂处理。
按上述方法制订的焊接工艺参数见表1。
表1 焊接工艺参数
工件厚 焊丝直 焊接电 焊丝直 喷嘴内 氩气流量 焊接速度 预热温
度／mm 径／mm 流／A 径／mm 径／mm ／L·min-1 /mm·min－1 度／℃
1．0 2 60～80 2 8 4～5 250
1．5～2．0 2～3 80～140 2～3 8～10 6～8 300
3．0～6．0 3～4 120～200 4～6 10～12 10～12 250
6. 0～8．0 4～5 150～230 5～6 12～14 12～14 250 50～100
8．0～10．0 5～6 280～300 6～8 12～14 250 80～100
注：板厚1－1．5mm时不加填充焊丝，电流可减少10％～25％。
3 X射线检测
由于铝和铝合金原子较轻，进行X射线透照时与碳钢不同，应依据JB 4730－94《压力容器无损检测》第5．1条铝及铝合金制压力容器焊缝及钢管对接环缝无损检测的规定执行， 并参照该标准评级。在宁夏石化分公司的空分装置中采用X射线透照的工艺参数见表2。
表2 X射线透照参数
设备 射线能量／kV 透照方式 象质计 透照时间／s 底片型号理学2505 110 双壁单影 铝 6～18 天津V型
焊接及无损检测的结果表明，采用以上规范，铝镁合金焊接的缺陷得到了有效控制。
4 结语
铝及铝镁合金的焊接和探伤都与普通碳钢和不锈钢不同，实践证明，文中提出的探伤规范是切实可行的。