铝合金焊接管道X 射线探伤工艺改进研究

2010-12-08魏兆中

黄河水利职业技术学院学报 2010年2期

魏兆中

(开封大学，河南开封 475004)

0 引言

在空分设备中，铝合金材料是一种较常用的工艺材料。铝材的导热系数和线膨胀系数分别为钢的2 倍和4 倍，焊缝凝固时体积收缩率达6.6%[1]，加上高温强度低、塑性差，导致铝焊缝在焊接过程中容易产生裂纹、夹杂和气孔等缺陷。铝合金材料本身的特点以及空分装置生产工艺的特殊性，决定了铝合金管道的脱脂加工、组装、焊接，探伤等工艺和要求都与一般碳钢材料有所不同。

目前，国内空分设备中常用的铝合金管道主要采用国产LF 系列铝合金，有弯头类、直管类，而且用得最多的是直管类。管道纵向对接焊缝普遍采用单面手工氩弧焊双面成形技术，开封地区主要采用纵焊缝双人双面同步氩弧焊技术。双人双面同步氩弧焊技术具有生产效率高、焊缝成形好、焊接缺陷少的优点。笔者在开封空分集团从事无损探伤工作期间，接触到大量铝合金焊接管道的射线照相检验。为保证检验灵敏度和缺陷检出率，同时提高生产效率，对铝合金管道焊缝的射线探伤工艺进行了一些试验研究。

1 铝合金管道焊缝常见缺陷分析

铝合金直管类管道一般壁厚为6 mm 或8 mm，管径为200～250 mm 不等，长度多为1500 mm。由于采用双面同步施焊，故不开破口，留有2～3 mm 间隙，具体的焊缝结构如图1 所示。双面同步施焊的铝合金管道焊缝常出现气孔、夹渣（JB4730-2005 称为圆形缺陷、条形缺陷）、未焊透、未熔合、裂纹、夹铜等焊接缺陷[2]。

图1 铝合金管道纵焊缝结构图Fig.1 Aluminum alloy pipeline vertical welding structure

1.1 气孔

气孔是铝合金管道焊缝最常见的缺陷。这是由于铝合金焊接时，氧化铝薄膜容易吸附较多的水分，促使焊缝生成气孔。同时，铝在液态时能大量吸收和溶解氢（在熔融状态下溶解度为0.0069 ml/g，而在高温凝固状态下为0.00036 ml/g, 前后相差近20倍），由于铝的导热系数很大，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，来不及析出的氢气在焊缝金属中形成气孔。平焊时产生气孔较多，但双面同步施焊是采用立焊的操作方式，故气孔较少。

气孔在底片上的影像是黑色圆点，也有的是黑线（线状气孔）或其他不规则形状，其轮廓比较圆滑，黑度中心较大，至边缘稍减小。气孔可发生在焊缝的任何部位，例如，单面焊根部线状气孔、双面焊根部链状气孔、焊缝中心线两侧虫状气孔是发生部位与气孔形状有规律对应的典型例子。

1.2 夹渣

由于铝和氧的亲和力很强，在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2 um 致密的AL2O3薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，但它也给焊接带来了困难。这是由于氧化铝的熔点(2050℃)远远超过了铝的熔点(600℃左右)，比重约为铝的1.4 倍，在焊接过程中，会阻碍金属之间的熔合，易形成夹渣。夹渣多出现在焊缝中心部位，呈细小颗粒状，有时连成一线。

1.3 未焊透

未焊透即焊接时接头根部未完全熔透的现象，按坡口形式可分为单面焊未焊透和双面焊根部未焊透。未焊透的原因是焊接参数选择不当，如焊接电流太小、运条速度太快、焊条角度不当或电弧发生偏吹以及坡口角度或对接间隙太小等。

未焊透在X 射线底片上呈连续或断续的较规则的黑线。由于未焊透形成的部位不一致，或其间伴有夹渣、气孔，黑度变化可能深浅不一。对于单面焊，未焊透都分布于焊缝根部，双面焊则于中间交接处。由于接头母材的加工面未被完全熔透，因此缺陷边界清晰。

1.4 未熔合

未熔合缺陷多属焊接时氧化膜或锈未清除干净、热输入不足、操作技术不当所致，在X 射线底片上常模糊不清。只有当射线透照方向垂直于未熔合面时，才有较深的黑化度，颜色深浅较均匀。层间未熔合多出现在厚板多层焊的焊缝中，其特征与片状夹渣相近。边缘未熔合在正常照相底片上位于焊缝宽度约1/3 处，多呈月牙形，外边平直，内侧呈弧形，黑度逐渐变浅。当沿坡口方向透照时，未熔合处呈黑色条纹，分布于焊缝与母材交界处，较易发现。

1.5 裂纹

在铝合金焊接过程中，由于材料的种类、性质和焊接结构的不同，焊接接头中可能出现各种裂纹，其形态和分布特征都很复杂。根据裂纹产生的部位，可分为焊缝金属中的裂纹（包括纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹）和热影响区的裂纹（包括焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹）两种形式。底片上裂纹的典型影像是轮廓分明的黑线，通常情况下黑线有微小的锯齿、分叉，粗细和黑度有变化，线的端部尖细，端头前方有丝状阴影延伸。

1.6 夹铜

夹铜缺陷主要在焊缝表面，是因操作失误引起的。在X 射线底片上多呈圆点、线性，比较容易发现。

2 铝合金管道焊缝射线探伤方法

根据JB/T4730-2005 的规定：对直径200 mm及以上管子，接纵焊缝采用单壁单投影透照。由于单根管道探伤效率低，现在改为多根管道同步探伤。以下以厚8 mm 的铝管为例，对该方案进行探讨。

2.1 透照参数的选择

透照参数的选择如表1 所示。

表1 射线机及其透照参数表Table 1 Ray machine and transillumination parameters

2.2 透照方式

采用单根管道透照时，焦距1200 mm，可以1 次拍摄2 张，背面用托板支撑，如图2 所示。

图2 单根管道透照时底片固定Fig.2 Fixed negative of single pipeline transillumination

此时，透照厚度比：K＝δ'/δ=1200/(1200-8)=1.007，远小于JB/4730.2-2005 要求（纵缝A 级、AB 级K 值不大于1.03），符合国家要求。根据几何不清晰度公式Ug=T*d/(F-b)，随着焦距F 的增大，Ug愈来愈小，即缺陷图像更加清晰。

在实施5 个管道同时透照时，需要按照图3 所示，预先制作管道专用透照支撑模具（木质），并在管道中心与射线源焦点的直线上，刻出每个位置的旋转指示，以方便固定管道。由于丹东XXG-1005 机器在40°辐射范围内，可视为等强度放射，故应充分利用射线范围，实现最大的透照范围，减少射线的浪费。当焦距为1 200 mm 时，沿圆弧方向可以摆放5根管道进行拍照（如图3 所示）。