铝及铝合金管道全位置单面焊加内衬垫焊接施工

梁 剑

中化二建集团有限公司 山西太原 030021

铝及铝合金管道全位置单面焊加内衬垫焊接施工

梁 剑

中化二建集团有限公司 山西太原 030021

阐述了铝及铝合金管道焊接，引入发明的一种实用新型管道焊接内衬垫弹性装置的专利产品（专利证书号：ZL201020269019.3），由于采用的衬垫材料加入了氧化铝纤维毡，焊接过程中不会和母材发生反应，所以是一种可以方便地安放在管道焊接焊口内侧，并在管道焊口焊接完成后方便取出的衬垫装置。

管道 焊接 衬垫

我公司在一些空分装置施工中，有大量铝镁合金管道。铝及铝镁合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属（垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型）。

针对大量铝镁合金管道的焊接，我们提出一种管道焊接内衬垫弹性装置，一种可以方便地安放在管道焊接焊口内侧，并在管道焊口焊接完成后方便取出的衬垫装置。垫板采用石墨加工扇形支撑块（支撑环板），表面包覆2mm厚的一层氧化铝纤维毡，在石墨支撑环板之间弹簧的弹性压力下保证焊缝反面成型，还保护了管材本身不受损伤。经实际施工测算，使用本管道焊接内衬垫焊接时间缩短为原耗时的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接质量，既节能又环保。

1 铝及铝合金的焊接特点的分析

（1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜可吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。

（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5%～6%时可不产生热裂，因而采用硅含量4.5%～6%焊丝会有更好的抗裂性。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

2 铝合金管道全位置单面焊加内衬垫焊接施工过程研究

2.1 焊接方法

铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用，针对上述铝及铝合金的焊接特点的分析采用惰性气体保护焊（TIG或M IG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。工程施工采用手工TIG焊接。

2.2 可以采用的衬垫材料分析

2.2.1 金属垫

（1）永久性金属垫：由焊件同种材做成，焊接后永久地留在焊件上，用于要求不高或者使用条件允许的结构。在以往施工的50万t合成氨的低温液氮洗工艺管道中铝合金管道焊接主要采用的是内衬316不锈钢的永久性内衬垫，316不锈钢机械加工困难，其施工成本较高。

（2）临时性金属垫：通常由刨成圆弧形成凹槽的紫铜块做成,有固定或移动式两种,前者长度较大,一般不需要水冷；后者长度较短需要水冷，用于各种黑色金属自动电弧焊。在铝等有色金属自动电弧焊时，则可采用普通碳钢或不锈钢条作为临时性金属垫。

2.2.2 焊剂垫

用普通埋弧焊剂或专用衬垫焊剂及槽钢、橡皮垫等构成的焊剂垫主要用于埋弧焊。

为了保证熔池不流失和背面焊缝成形均匀性，衬垫应贴紧焊缝背面。为克服装配时错边误差和焊接变形影响，衬垫一般都要有适当的压紧措施以保证产生均匀的外部承托力。

2.2.3 陶瓷衬垫

陶瓷衬垫强制成型单面焊，施焊方便，由于陶瓷衬垫对坡口根部间隙不敏感，衬垫长度可任意接长、剪短，尤其适合于现场安装焊缝。由于在焊接时，衬垫也参与了焊缝熔敷金属的冶金反应，对根部焊缝熔敷金属化学成分及力学性能会产生一定的影响，尤其是对根部冲击韧性的影响，鉴于目前尚无相应的标准进行界定，因此在实际应用中应给予足够的重视，本工程没有考虑采用。

2.3 焊缝成形焊接及其应用条件

在一定条件下，可以做到单面焊双面成形焊缝。焊缝背面处于自由状态焊缝又全部焊透时，熔池将完全依靠熔化金属跟熔池壁之间的表面张力。得到承托的理想熔池形状条件下，熔池保持稳定的平衡条件为：

式中：r——熔池液体金属密度；

H——熔池深度；

B——熔池宽度；

σ——表面张力系数；

P——电弧对单位长度焊接熔池的总压力。焊接方法焊接材料表面张力系数/（10-3N·m-1）一次成形最大厚度/mm（铝840 4～5）。

2.4 石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫的研制

电弧功率较大或管壁厚超过一定数值时，熔池不能依靠表面张力保持稳定，可采用背面衬垫承托方法来保持单面焊双面成形时的熔池稳定的焊缝成形。改用垫板带进行焊接就不再需要封底了，焊前把垫板带贴到焊缝背面，从正面进行焊接，可以做到单面焊双面成形,而且焊质量可靠实用。但是这种垫板带在大直径管道的焊接中应用可以采用人工进入安放固定以及焊接完毕后人工拆除，在小直径管道焊接和管道弯头部位采用整体金属内衬垫或陶瓷衬垫。

整体内衬垫施工中安放、固定以及拆除都有一定困难，甚至于拆不出来。为此我们根据全位置管道焊接，铝及铝合金融化流淌在360°范围内，不同的焊接方位流淌的方式与量的不同，向上焊与向下立焊的流淌不同，在焊接内衬垫的结构形式和外型上进行了新的设计。本装置由金属弹簧、石墨扇形支撑块、表面包覆用的2mm厚氧化铝纤维毡（也可以不用）。首先根据不同管道直径按照比管道内径小5mm的圆形进行加工。例如制作一个适用DN200mm的管道焊接内衬垫：

（1）将厚度50mm的石墨在车床室加工制成直径为195mm的圆柱体，并按120°切割成3块，在每块120°扇形块上距圆弧20mm三角形布置钻3个直径5mm的通孔，以备安装支撑弹簧和拆卸用的细钢丝绳拉线。

（2）用直径4mm高碳钢丝焊制一个穿在三块扇形块上能保持形成一个直径略大于195mm圆径的弹性保持支架。管道焊接内衬垫的结构组对，将高碳钢丝焊制的圆径弹性保持支架，穿在三块扇形块上，保持形成一个直径略大于195mm的圆形（三根钢丝绳拉线从三块扇形石墨块的内侧的孔穿过，在主根拉线距焊有金属圆柱体的位置200mm处，热镀锡并将其它两根钢丝绳拉线与其焊接在一起，穿过高碳钢丝焊制的圆径弹性保持支架的组对中心处）。在石墨内衬垫的结构组对成圆支撑块后，套上一层氧化铝纤维毡作为与铝合金管道接触的界面即可以实施焊接作业。焊接完成后，拉动一根最大长度应大于组对管道的长度拉线，首先带出高碳钢丝焊制的圆径弹性保持支架，然后由于三根钢丝拉线长度不同分别脱离圆形组对体至此完成拆除管道焊接内衬垫（石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫）的工作。

2.5 管道全位置（环形焊缝）焊接操作要求

2.5.1 活动口焊接（转动被焊接管件焊接）

这些环缝可以通过工件移动的方式使熔池始终处于水平面内，内衬“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”这样环缝的成形条件基本上跟平板俯位焊接条件相似。为了减少曲面对熔池金属流动的不利影响，电弧均应沿旋转反方向偏置中心一段距离。焊件直径愈小，这段偏置距离应大一些，但也不能偏置过大，以免使熔深不足，此外焊件直径愈小，允许的熔池体积长度也将减小，因此电弧功率和焊速的选择是关键。

2.5.2 固定口焊接、焊接操作要求

手工单面焊时垂直、横向焊缝成形的主要困难是熔池金属会在自重作用下从熔池表面流失，为此必须严格控制熔池体积。强制成形及控制方法：强制成形垂直及横向焊接时，液体金属与熔池壁之间的表面张力将是保持熔池稳定的作用力，内衬“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”，严格控制熔池体积，使熔池背面焊缝强制成形。实验数据的第四组（见表1）虽然焊接速度块，由于采用了“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”使背面焊缝强制成形，但焊接熔池过大自重超过表面张力所允许的范围，使焊接管道的外表面熔池易流淌。避免此现象的常用最简单的方法是：调整焊接参数和操作手法进行焊接。焊枪的倾角后倾焊时，由于电弧力的作用，熔化金属向熔池尾部运动，利于电弧对熔池底部母材的直接加热，电弧熔透能力增加，背面焊缝的熔合性得到改善，背面焊缝的熔宽及余高均由于采用“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”而增加。前倾焊时则相反，合适的后倾角度为10～20°。当熔池体积教大时，垂直、横向甚至仰焊都可在一定条件下用“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”强制成形法来控制背面焊缝成形。但是仰焊应采用第一组实验焊接工艺参数（见表1），采用小电流、小功率进行多层多道焊接防止熔池向下滴落。

表1 试件所采用的管材料牌号5052焊接工艺参数

2.5.3 焊接工艺参数（见表1）

2.6 焊接坡口、坡口角度的加工对采用“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”的影响

手工单面焊接时，电弧操作较灵活，可适应的坡口间隙范围较宽，对装配要求并不十分严格，村垫这种对坡口间隙范围较宽的适应能力，开坡口的目的是保证焊透。单面焊时，坡口角度增加，利于焊缝根部熔透，则背面焊缝的熔宽显著增加，同时由于衬垫存在的弧形凹槽使的熔化深度增加，背面焊缝余高随之增加，但由于熔宽增加更为显著，因此背面焊缝余高系数(b／a)随坡口角度增加而增加，背面焊缝熔合性得以改善，对保证合理的背面焊缝形状有利，但坡口角度增加，要求填充金属量增多，增加了焊接材料消耗，降低了焊接生产率，且增加了焊接结构的变形。如果坡口角度过小，尤其大厚管道焊接，电弧较难熔透坡口根部母材，易产生未焊透、背面焊缝熔合不良及成形恶化等问题。因此在确定单面焊坡口角度时，应综合考虑焊接生产效率、焊缝成形等诸多因素。工艺试验发现，坡口角度在55～65°范围内较合适。钝边高度k钝边高度主要影响焊缝熔透及背面焊缝成形质量，钝边高度增加时，背面焊缝熔宽及余高均减小，钝边高度过大时，会造成焊缝根部熔合不良，常出现凹凸、脉纹，焊缝成形恶化，严重时会出现未焊透缺睹。减小钝边高度，有利于坡口根部熔透，背面焊缝成形得到改善。钝边高度主要应根据坡口角度、坡口装配间隙及焊接规范参数确定。

2.7 背面焊缝成形的质量

焊接过程中熔池底部金属与衬垫接触，衬垫必须具有化学稳定性，避免熔化金属与衬垫相互浸润，研究发明采用的“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”能保证焊缝稳定成形。因为石墨表面覆硅酸铝纤维焊接高温中不与热态金属铝发生冶金反应，否则衬垫与熔池液态金属发生冶金反应，不仅影响焊缝表面成形，还可能影响背面焊缝的冲击韧性。本衬垫具有良好的物理性能，当电弧移开，熔池底部冷却到金属熔点时开始结晶，衬垫的耐火度高于金属熔点，焊缝金属凝固，冷却凝固后表面光滑焊缝余高圆滑。

3 结论

（1）铝及铝合金管道全位置（固定口焊接）单面焊加“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”焊接施工具有工艺先进、施工质量好、施工周期短、劳动强度低、成本低等特点。

（2）单面焊工艺要点是保证焊缝根部焊透并保证衬垫与工件背面贴合良好。“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”配合合理的焊接工艺参数能保证其焊接背面接触良好成型余高得到保证，可获得良好的背面焊缝成形。通过使用管道焊接“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”，使铝合金工艺管道单面焊焊接操作简单、快捷、省时省力，既节能又环保，还保护了管材内表面本身不受损伤。

（3）经实际施工测算，使用本管道焊接“石墨表面覆硅酸铝纤维弹性支撑内衬垫”焊接时间缩短为原耗时的3/5，而且方便操作，大大提高了焊接效率和焊接质量，经济效益和社会效益十分显著，值得在今后安装中推广应用。在实际操作中，灵活运用各种焊接内衬是取得经济效益的重要保证之一。

1 《焊接结构设计》，钢结构工程研究所译.

2 《当代工程师手册》，科技论文撰写篇——辽宁科学技术出版社.

3 《铝制焊接容器》JB4734-2002标准.

4 气体保护单面焊接工艺的研究——杜学铭、张建强.

5 非金属村垫材料的研究武汉水运工程学院学报.

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1672-9323（2012）05-0046-03

2012-07-14）