铝合金管道焊接气孔形成原因及控制技术

2022-09-10

0 引言

此次介绍的制氧工程中用的是EN AW-5083材质的镁铝合金管, 大家知道铝合金共分九个系列, 其中五系:5000系列铝合金代表5052、5005、5083、5A05系列。5000系列铝材属于较常用的合金铝系列, 主要元素为镁, 含镁量在3-5%之间。又可以称为铝镁合金。主要特点为密度低, 抗拉强度高, 延伸率高。该类铝合金同时具有良好的耐腐蚀性和较高的低温强度, 空分装置就大量使用了铝镁合金 (主要有5083、5183、5A02, 相当于旧牌号中的LF2、LF4) 。但是铝及铝合金在焊接过程中, 易出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷等问题, 而其焊接质量则是空分设备能否安全、稳定、长期运行的关键之一。此类材质是被公认为焊接难度较大的被焊材料, 特别是小径薄壁管的焊接更难掌握。因此, 解决铝及铝合金的这些焊接缺陷是施工过程中必须解决的问题。孟加拉电炉炼钢制氧工程地处东南亚, 临近海边, 常年湿热、多雨, 焊接中最易出现气孔等焊接通病问题。本工程焊接采用ASME标准, 焊丝采用ER5356, 在经过严格的培训并取得BV国际焊接认证后, 焊接队来到了孟加拉施工现场, 在适应现场的同时, 开始调试铝焊机设备, 并试焊。

1 铝管焊接气孔生成原因分析

经现场焊接技术人员的仔细分析, 主要原因如下:气孔形成从本质上来说, 是由于焊接时在熔池凝固形成过程当中, 尚有部分未来得及逃逸的气体残留在焊接金属之中, 在一般情况下, 气体可能是空气、一氧化碳、氢气和氮气等等;铝镁合金主要成分是铝掺入少量的镁而制作出来的材料, 加入镁是为了保证铝美合金的硬度, 其中不含碳, 因而没有一氧化碳的形成;同时氮气与铝及其合金不能相溶, 故也没有氮气气孔形成的可能。我们常说的铝美合金焊缝的气体就是氢气孔。探究氢气孔的来源, 我们可以发现大多数是水分解而来, 孟加拉制氧工程位于潮湿多雨的吉大港海边, 其中空气中的水分、焊接材料以及母材表面氧化膜吸附的水分等, 都是有可能造成氢气孔形成的原因, 因而在实际过程当中水的因素可以间接的理解为气孔形成的因素。

1.1 材料特性

从化学性能上分析, 一方面氢在高温时能大量的溶解于液态铝之中, 一旦温度下降溶解量减少, 导致在铝镁合金焊接完成以后, 有大量的氢气析出;由于熔池快速凝固, 致使部分氢气或者其他混合气体来不及逃逸而形成了大量的气泡。另一方面铝镁合金散热性好、密度低对气体的析出产生制约;加上在焊接高温下, 铝镁合金和空气发生化学反应, 生成氧化镁和三氧化二铝覆盖于焊接体表面, 其中氧化镁吸水性很强, 这也是气泡产生的主要原因之一。即使用TIG焊也不能有效地去除其水分, 因而使得铝镁合金焊接气孔在所难免。

1.2 氩气的流量与纯度

从操作上看, 氩气的流量是影响熔池保护效果的一个非常重要参数;如果氩气的流量较小, 冲击焊接环境中空气较少, 相对保护熔池能力较差;氩气的流量大, 一方面造成生产成本加大, 另一方面有可能使得强气流在熔池周围停留时间过短, 造成大量空气的介入, 造成保护区失去保护的意义, 更易使得焊缝产生气孔。氩气的纯度也是主宰焊接质量的一个重要因素, 纯度低, 意味着杂质多, 也就增加了弧柱气氛中氢的含量, 从而降低阴极雾化效果, 这也是不利的因素。

1.3 焊接工艺

焊接工艺讲究步骤和流程的合理性, 其中包括坡口准备、组对方式等等, 以及焊接工艺参数的正确性;如果坡口位置不对或是焊件组对存在缝隙, 很容易造成空气的涌入。焊接参数要调整和变化, 也对气体逸出和溶入熔池产生相当大的影响。焊接速度过慢, 无疑使得氢气的容量较大, 造成氢气气孔的产生。焊接速度过快, 容易在工程质量上不能得到保证。在实际过程当中, 操作人员应该通过不断的实践来摸索铝镁合金焊接经验, 通常情况下我们可以发现, 用较快的焊接速度加上较大的焊接电流可以有效的阻止气孔的产生。

1.4 焊接操作技术

焊接操作技术无疑也是保证铝镁合金焊接质量的保证之一。焊接操作技术与理论知识和实际操作经验密切相关, 这是内在的要求;而外部空间的局限有可能会造成实施焊接操作时不当或者难度加大, 焊接枪口与工作表面不能保持正确的角度, 角度大小的变化有可能使得氩气挺度不足, 造成缺陷。钨极伸出长度过长、电弧过长或不稳等, 都有可能使得焊缝产生气孔, 造成焊缝质量得不到有效的保障。一般来说在约束环境下, 水平管仰焊接头部位可采用交叉接头法, 有利于焊缝质量的保证, 避免气孔的产生。

2 铝管焊接质量控制措施

气孔的出现一般多在起焊处, 特别是六点钟方位 (试焊位6G) , 在焊接件中起弧部位容易产生气孔, 包括打底与盖面。

2.1 焊接前准备

焊接前严格清除焊口及焊丝表面的氧化物和油污, 通常采用化学清理或者机械清理。若空气湿度大, 可在点焊、起焊、对口前后, 对管口进行火焰加热去除表面水分。

2.2 焊接过程质量控制

(1) 焊接前应重视放气工序, 待气瓶到焊机气阀氩气管中的气压放至平缓匀速, 焊枪中喷出的氩气平稳均匀后再引弧焊接。如焊机至气瓶段气压过高, 流速过快, 容易引起空气的卷入, 引起电弧漂移, 氩气不能有效的聚集在熔焊区保护, 极易形成气孔。

(2) 起焊时出现气孔应及时处理, 彻底清除缺陷后再进行焊接。

(3) 焊枪起弧后要匀速前走, 不要在原地停留过长, 易引起起焊点出现气孔。

(4) 在焊接过程中, 点焊部位需清除干净。搭接接头起焊部位打磨处理20~40mm, 如还有气孔, 可加长处理长度。

(5) 中间接头时, 将电弧引燃后加热原熔池, 当熔池出现局部熔化后向熔池少量添加焊丝, 当焊至熔池前端时, 继续正常向熔池送丝即可。

(6) 安装焊接时, 正仰焊6点钟位和横焊位易出现气孔。经认真分析原因, 主要是焊接时带入了空气。通常采取仰焊位焊枪尽可能压低些, 由于氩气比重较大易下沉, 焊口周围保护气体稀薄, 空气容易进入高温熔焊区。

3 铝管焊接质量控制要求

重视坡口加工工具清洗工作。如铣刀、锉刀或坡口机, 常采用机械清理或化学清理, 一般先用丙酮或酒精擦拭待清理部位, 再用不锈钢轮刷及刮刀清理。焊丝通常采用丙酮预先清洁, 后用氢氧化钠溶液进行清洗, 再用清水漂洗;工序完成后再用硝酸 (浓度为25%~30%) 进行钝化处理, 最后用热水清洗干燥后放入烘箱。焊道坡口清理宽度不少于20mm。氩气纯度不低于99.99%。焊接预热是正式施焊前必须要准备的工作之一。一般方式采用气焊枪加热, 预热温度要控制在150℃以内。焊接时焊枪提前送氩气, 滞后停气。焊接过程中避免氩气流量过小, 控制在10~12L/Min, 喷咀内不干净或有水汽、焊速过快、钨极伸出过长等问题出现。