铝合金管母线焊接工艺
2015-11-30武旭平段临临范绍林
武旭平 段临临 范绍林
铝合金管母线焊接工艺
武旭平 段临临 范绍林
针对某供电公司220kV智能变电站建设过程中，遇到材质为6063铝镁硅管母线的焊接难题，通过对其材质进行焊接性分析研究，制定了采用交流钨极氩弧焊焊接的工艺方案，并通过工艺评定、焊工培训和实际操作试验、归纳、总结，形成铝合金管母线的焊接工艺。
1. 铝合金的焊接性分析
铝及铝合金的熔点低、比热容高（约是钢的2倍）、导热系数大（约是钢的3倍）、线膨胀系数大，在焊接中容易产生变形，需采用热量较集中的热源。
铝的化学性质活泼，表面易形成氧化膜，在焊接时容易形成未熔合及夹渣缺陷，使接头的性能降低；氧化膜对水分有很高的吸附能力，易产生气孔缺陷；另外，还出现裂纹、接头软化和耐蚀性降低等问题。
（1）气孔 铝合金焊接时主要产生的气孔是氢气孔，而氢的来源有三个：空气中的水分侵入熔池、保护氩气中含水分大、坡口及焊丝清理不干净。
解决气孔的主要措施：适当预热，降低熔池的冷却速度，有利于气体逸出；制定合理的焊接工艺，采用短弧焊接；提高氩气的纯度；清除焊丝和母材坡口及其两侧的氧化膜、水、油等污物。
（2）裂纹 铝合金焊接中产生的裂纹主要是热裂纹，其中大部分是产生在焊缝中的结晶裂纹，有时在热影响区也出现液化裂纹。
除了接头中拘束力的影响之外，结晶裂纹的产生主要是受铝合金化学成分和高温物理性能的影响。当焊接热输入过大时，在铝合金多层焊的焊缝中，或与熔合线毗连的热影响区，常会产生显微液化裂纹。
防止裂纹的主要途径：选配合适的焊丝和尽可能优选母材成分；正确选择焊接方法和工艺参数，宜采用功率大、加热集中的热源；应避免不合理的工艺和装配所引起的应力增大，尽量将焊接应力降低到最小；避免接头在高温下受力，人为地造成裂纹。
（3）焊接接头软化 铝合金管焊接后会产生明显的软化现象，其主要原因是由于焊缝和热影响区的组织与性能变化引起的。
防止焊接接头软化的主要方法：采用加热迅速、热量集中的焊接方法，以减小接头的强度损失；选择合适的焊丝。
（4）接头耐蚀性 铝合金接头耐蚀性降低的原因，主要与接头的组织不均匀、焊接缺陷、焊缝铸造组织和焊接应力等有关。
采取的主要措施：选用高纯度的焊丝；调整焊接工艺可以减小热影响区，并防止过热，同时应尽可能减少工艺性焊接缺陷；焊接过程中采用碾压或锤击焊缝有利于提高焊接接头的耐蚀性，减少焊接应力。
2. 焊接工艺
（1）焊接方法 通过以上分析和结合现场实际情况，确定焊接方法为交流钨极氩弧焊。其优点是：具有阴极破碎作用；设备结构和线路简单，不易出现故障； TIG保护性好，电弧稳定、热量集中、焊缝成形美观、强度和塑性高、管材变形小；现场地面施焊，管材可以转动，以平焊位为主，操作容易，便于控制质量；可形成较大的熔池，有益于
气体逸出，故焊缝中气孔极少。
（2）焊前准备 焊接设备与焊材的选用：采用交直钨极氩弧焊机WSE—315，焊材选用HS5356、φ5mm。
清理：铝合金管母和衬管都有包装，保护比较好，为了避免碰损和油污，在组装焊接时才拆除包装。现场使用坡口机开坡口，用丙酮擦拭坡口及其附近处，然后用铜丝刷清理管母坡口及其内外壁30mm范围、衬管和加强孔附近的污物，之后再用丙酮擦拭，如图1所示。焊丝用化学方法进行清理。管母、衬管、焊丝的清理应根据焊接进度完成，不要一次清理过多，以免造成再次氧化和污染。
组装对口：制作的焊接支架如图2所示，要求管母的轴心线重合，安装可转动胶轮可使管母免受损伤，且焊接位置一直处于水平位置便于焊工施焊，减小了操作难度，保证了焊接质量。衬管的加工要求如图3所示。
制作的对口夹具如图4所示，便于定位焊和焊接过程中转动管子时，使高温的焊缝不受外力而产生缺陷。
坡口角度、对口要求如图5所示。由于衬管和管母之间只有1～2mm间隙，且有沟槽，可以对背面焊缝起到氩气保护作用，所以内壁不需要专门做充氩处理。
（3）预热 焊前用氧乙炔中性焰对坡口及其两端150～200mm内进行加热，加热温度为200～250℃（测温笔测试），预热温度不宜过高，否则易使焊接接头的力学性能下降的太大。
3. 焊接参数
铝合金管母焊接电流与加热温度的选择尤为重要，如果焊接电流过大，熔池形成速度较快，容易造成烧穿、塌陷等缺陷；如果焊接电流过小，母材较难熔化，熔深浅，易产生气孔、未焊透和熔合不良等缺陷。可通过适当提高预热温度来补偿焊接区热源不足，使焊接顺利进行。焊接焊接φ130mm×6mm铝合金管母线的参数如附表所示。
焊接φ110mm×4mm铝合金管母线时，焊接电流可适当减小为160～170A，焊加强孔选择的焊接电流200～210A。
图1 清理好的焊口
图2 焊接支架
图3 衬管
图4 对口夹具
4. 操作工艺要点
（1）铝合金在熔化时几乎没有颜色变化，焊工操作必需熟练掌握，且注意力要高度集中。
（2）对口、焊接时可采用夹具如图4所示，保证接头装配间隙、错口量及角变形，同时也可防止管子转动时高温焊缝不受外力影响而产生裂纹，提高了焊
接效率。焊接完成后，立即卸掉对口夹具，待温度降到200℃以下才可将管母移离支架。
（3）把管子按三等份划分，定位焊三点，位于管子等分点，定位焊长度为10～15mm，厚约4mm。焊接共分两层完成，每层焊接顺序采用分段退焊，1、2、3依次进行，如图6所示。第二层要和第一层的接头错开，避免缺陷集中。
（4）焊接时采用左向焊为宜，钨极伸出长度4～5mm，弧长2～3mm，可作间隙停留，达到一定的熔深后，再添加焊丝向前移动。
图5 组对示意
φ130mm×6mm铝合金管母线的焊接参数
图6 焊接顺序
图7 焊枪、焊丝角度
图8 焊缝成形
（5）焊枪、焊丝的角度如图7所示，焊丝与管子切线的夹角为10°～15°，焊枪与管子切线的夹角为75°～90°；也可适当变换，但力求满足以下要求：容易观察熔池，熔池应始终处于氩气保护下，电弧对熔池前端焊道起预热作用。
（6）打底接头时，先不加焊丝，充分熔化熔池，待出现熔孔后给熔池中心添加一滴熔滴，焊枪轻微横向摆动，再添加一滴熔滴，再熔化，这样有节奏地送进熔滴，形成焊缝。
（7）电弧长度为2～3mm，若电弧长度过低，容易和熔池短路，造成焊缝污染，若电弧长度过高，会产生电弧不稳定，热量不集中，且氩气保护性较差。
（8）平焊封口接头处，当焊至距对面焊缝3mm时，移开焊丝，焊枪作划圈动作，将对面焊缝充分熔化，再把焊丝从旁边送进填满熔池，焊枪左右摆动，继续向前移动，搭接对面焊缝10mm时填满弧坑，灭弧后焊枪不许离开，继续保护熔池。
（9）层间温度不应低于预热温度，焊接过程中也可进行辅助加温。
（10）在焊接第二层焊缝之前，要用铜丝轮或不锈钢丝轮刷掉焊缝表面的氧化物。
（11）盖面开始时，先不添加焊丝，焊枪作横向摆动，待开始部位焊缝出现湿润现象时，加少量熔滴、熔化，逐渐过渡到正常焊接，这样使起始焊缝较低，便于下一段焊缝搭接收尾，保证了收尾质量。
（12）盖面收弧时要填满弧坑，利用电流衰减熄灭，焊枪不许离开，继续保护熔池。
（13）焊接过程中仔细检查焊缝内外表面上是否存在未焊透、裂纹、表面气孔、焊瘤及未熔合等缺陷，发现后立即清除重焊。
5. 结语
经过以上处理，该供电公司220kV智能变电站φ130mm×6mm管母50多个焊口、φ110mm×4mm管母80多个焊口在焊接过程中，没有出现因焊口变形而出现返工现象，工期进展顺利，按期完工。
采用以上铝合金管母线的焊接工艺焊缝成形美观（图8），经X光无损探伤检测和导电率测试，均符合要求，一次合格率达99%以上。到目前为止，该变电站已正常运行两年。
武旭平等，国网山西电力技能培训中心临汾分部，范绍林，中冶天工钢构容器分公司。
