工業純鋁焊接工藝研究

高 敏，李 海，王志強

(1.東北電力大學 機械工程學院，吉林 吉林 132012；2.豐滿發電廠 電氣工程處，吉林 吉林 132108；3.吉林石化公司電石廠，吉林 吉林 132022)

鋁材具有可塑性能高、耐蝕性能強且易承受壓力加工和拉伸的特點，被廣泛應用于化學工業的儲罐、塔器、熱交換器及一些深冷設備中.在空氣中，鋁的表面極易形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能阻止母材進一步被氧化，由于這一特點，使鋁金屬在濃硝酸儲存和濃硝酸輸送管線中得到了廣泛的應用[1].某公司研發的新型濃硝酸鐵道罐車，就采用了中厚板純鋁材料進行制造.

1 焊接難點分析

由于鋁材特殊的物理化學特性，其焊接工藝特點與鋼比較有很大的不同，如表1所示.

1.1 焊接熱源

表1中顯示鋁材比熱容約為低碳鋼和不銹鋼的兩倍、熱導率則是低碳鋼的五倍、奧氏體不銹鋼的十倍.焊接過程中，一少部分能量用來熔化金屬[2]，大部分能量則消耗在金屬的其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著.為保證焊接接頭質量，焊接時需采用相對集中的、大功率的熱源，附加預熱等工藝措施[3].

表1 鋁與鋼的物理化學性能

1.2 氣孔的產生

純鋁在空氣中被氧化后，會在表面生成一層致密的氧化膜，這層膜熔點高且非常穩定，會阻礙母材后續發生的熔化和熔合，鋁材的表面氧化膜、母材和焊材表面所吸附的水分，是產生氫氣孔的主要原因；另外，純液態鋁中溶解了大量的氫，固態鋁卻幾乎不溶解氫，其溶解度相差近二十倍.在高溫時，熔化的鋁液中吸收大量氫分子；在凝固時，氫的溶解度突變，以氣泡的形式溢出.由于鋁的熱導率大，熔池冷卻速度快，焊縫中的氫來不及溢出，就在凝固的焊縫中形成氫氣孔[4].

1.3 焊接變形

在表1中，純鋁的線膨脹系數比低碳鋼的高出兩倍.所以當純鋁凝固時，體積收縮率達6.5%～6.6%[5]，焊件的變形和應力較大.因此，需采取預防焊接變形的措施.生產中可采用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生.

1.4 焊接操作難度大

純鋁具有較強的反光射能力，在焊接時由固態轉變為液態時，表面顏色無明顯變化，因此在焊接過程中，給操作者帶來不少困難[6]，難以進行準確的判斷；另外，高溫純鋁的強度不足，難以支撐熔池，極易造成焊穿.

2 焊接工藝試驗

2.1 試驗材料

試驗材料為1050A(H112)，規格為500 mm×240 mm×24 mm，鋁含量為99.5%.焊縫填充材料的選擇應依據母材的成分、力學性能、耐腐蝕性能及其它使用性能，工業純鋁宜采用純度不低于母材的填充材料，試驗焊絲應采用鋁合金焊絲SAL1450，規格為Φ4 mm和Φ5 mm.所采用的母材、焊材的具體成分見表2，焊接過程中采用高純度(99.99%)氬氣作為保護[7]，氬氣具有較高的熱輸入，可使熔滴過程非常穩定、容易控制.

表2 母材和焊材的化學成分(質量分數%)

2.2 焊前準備

焊接試驗中焊接試件采用X型坡口，坡口角度為80°、組對間隙5 mm、10 mm鈍邊.試件坡口部位及其兩邊各50 mm范圍內要用有機溶劑(如汽油、丙酮)擦去油污[8]、灰塵及其他有害雜質，之后用不銹鋼絲刷清除掉附著在金屬表面的氧化膜，試板狀態如圖1所示.如果焊前清理不到位或者預熱溫度不夠，焊縫中就很容易出現氣孔、夾雜、未熔合等缺陷[9].

焊材采用真空包裝的表面拋光焊絲，開封后未使用完的焊絲需存放于100 ℃的保溫箱中隨用隨取.

2.3 焊接方法及試驗參數

鋁制化工設備通常采用鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊，熔化極氬弧焊適用范圍較廣，可以在4 mm厚度以上的工件焊接任何位置的焊縫，并能得到優良的焊接質量[10].試驗采用鎢極脈沖氬弧焊、雙面同步打底，自動熔化極氣體保護、填充蓋面工藝.焊接工藝試驗參數，如表3所示.

表3 焊接工藝參數

3 試驗結果與分析

3.1 無損檢測

焊后對試件進行100%RT檢測，有分散的幾個氣孔，符合NB/T47013.5-2015 Ⅱ級合格如圖2所示；對焊縫表面進行100%PT檢測，無表面缺陷，符合JB/T4730.2-2005 Ⅰ級合格.

圖1 坡口形式和清潔狀態 圖2 射線檢測結果

3.2 彎曲試驗

取四個橫向側彎試樣，將焊縫余高去除，試樣的金屬焊縫中心正對彎心軸線，保證焊縫金屬以及熱影響區完全分布在試樣的彎曲部分內，試驗后觀察彎曲面無開口缺陷.

3.3 拉伸試驗

分別制取母材、焊接接頭拉伸試樣，試驗數據如表4所示，焊接接頭斷裂位置在焊縫中心，試樣斷面無氣孔、未熔合缺陷.

表4 力學性能試驗結果

4 結 論

采用鎢極脈沖氬弧焊、自動熔化極氣體保護焊對鋁材進行焊接，焊縫區域焊前必須清理干凈；嚴格執行工藝操作規程；選擇適當的焊接工藝參數.在濃硝酸鐵路罐車的制造過程中應用此工藝，焊縫成型美觀，通過對焊縫進行RT檢測、PT檢測、彎曲和拉伸試驗，試驗結果符合要求、焊縫探傷合格率達到96%.