空分装置冷箱内铝镁合金管道焊接质量的控制

空分装置冷箱内铝镁合金管道焊接质量的控制

王聪

杭州中泰深冷技术股份有限公司 311400

摘要：由于工艺、温度、材料特性等因素的要求，空分装置冷箱内的精馏塔、粗氩塔及管道多采用镁铝合金。这就导致铝镁合金在冷箱中大量焊接，焊接难度大，作业空间小，坡口形式复杂，施工时间跨度大等因素。本文对空分设备冷箱铝镁合金管的焊接质量控制进行了研究，重点分析了空分装置铝镁合金焊接的一些预防措施、问题及处理方法。

关键词：空分装置冷箱；铝镁合金；管道焊接；质量控制

1 铝镁合金的焊接特点分析

一般来说，铝镁合金的导热系数和比热是钢的两倍以上，线膨胀系数是钢的近两倍，凝固过程中的收缩率是铁的两倍。铝镁合金的这些特点，使铝镁合金的焊接过程中，要进行适当的预热，同时采用中能量、大功率的焊接设备，以使其具有较大的焊接能量，保证焊接质量。在铝镁合金表面很容易形成难熔的氧化铝膜。其熔点为2050℃，远高于铝镁合金的656℃。它严重阻碍了母材和焊料的良好熔合。如果在焊接过程中不清理，很容易在焊缝金属中产生气孔。由于Alcoa合金在高温下强度和塑性会明显降低，容易产生缺陷，其物理性能也没有明显的由固态到液态的变化，因此在焊接工作中很难掌握温度，因此很有必要控制好焊接操作。而且，镁的沸点很低，温度高时容易蒸发。如果焊接时间过长，焊缝中的镁含量会显著降低，导致焊缝的力学性能下降。

2 空分装置冷箱内美铝合金管道施工工艺控制

2.1焊接材料的选择

2.1.1焊接材料选择

由于镁在焊接过程中易挥发，焊丝中的镁含量高于母材中的镁含量，因此应加强对焊材的管理，防止误用焊丝。焊丝直径必须严格控制，焊接工艺评定、焊接工艺规程和焊接层数，避免焊接应力大、裂纹、气孔等缺陷。使用焊丝前，应清除表面油污和氧化膜

用丙酮等有机溶剂去除油污，用机械方法去除氧化膜。用不锈钢丝刷（定期脱脂）或干净的油砂纸擦洗焊丝表面。焊丝应在处理合格后8小时内进行焊接。

2.1.2氩气的选择

氩气纯度不低于99.99%，氮气含量不超过0.105%，氧气含量不超过0.0031%。根据实际操作情况，氩气的质量对焊缝的气孔和裂纹有一定的影响，质量问题一般发生在输氩管道或焊枪的泄漏或堵塞上。为控制铝镁合金管道一次焊接合格率，空分装置铝氩输送管道采用不锈钢无缝钢管与胶带相结合的方式输送。虽然成本增加了，但焊接一次合格率有了很大提高，这也是空分装置焊接一次合格率，合格率在99%以上。

2.1.3钨条的选择

钨极选用铈钨棒，采用较大的钨极直径（3.0-5.0mm），保证能承受较大的焊接电流。钨极直径相对自由，可根据个人喜好、现状和焊丝直径灵活选择。钨极末端设计成半球形，使电弧热量更集中，电弧稳定性增强，焊缝形状更好，钨极烧损小，不易形成夹钨缺陷。

2.2断裂处理、焊缝清理和焊接管道组件

（1） 锉刀、铣刀或自转坡口机可用于坡口加工，机床也可用于大规模加工。一般情况下，现场施工中主要采用铣刀和锉刀。但是，如果预制现场允许，应尽量选择车床加工方法，这是保证质量、有效保证施工进度和效益的前提。

（2） 坡口宽度及其焊件内外侧宽度不得小于50mm。可采用机械或化学方法清洁焊缝。现场施工中，一般采用机械清洗进行坡口清理。首先，用有机溶剂丙酮对槽进行清洗和脱脂。不允许矿物油清洗机，槽内采用手动或电动工具处理，露出金属光泽。在坡口清理过程中，严禁使用砂轮打磨，因为砂轮会使沙子嵌入铝件，增加焊接难度，产生焊接缺陷。

（3） 管道组件

管内壁错位要求：①壁厚小于5mm时，管内壁不对中不大于0.5mm。② 壁厚大于5mm时，内壁错位不大于管壁厚的10%，不得大于2mm。不得使用机械力和手动力对正，以免强配对造成焊接应力和变形较大；不允许增加偏置垫，消除接口端面的间隙、偏差、错位等缺陷。将所有位置和横向焊接位置的焊缝数量减至最小。当组装不等厚度对接焊时，当表面不对中大于3mm或单侧焊缝根部不对中大于2mm时，采用合理的加工方法。

2.3 焊接工艺控制

（1） 一般情况下，焊接电流将调整到更高的水平，以确保焊接工作的速度。它还可以充分利用铝合金的焊接特性，保证熔透和熔合，同时保证焊缝两侧的焊接效果。

（2） 铝镁合金预制焊接时，氩缸应放置在附近，最好不大于5m，即输氩管道越短越好。否则，如果气管过长，容易将空气、氮气等气体带入氩管，造成焊接过程中焊缝气孔、裂纹等质量缺陷，影响焊接质量。氩输送管道在冷箱焊接时，应采用不锈钢无缝钢管和胶带。不锈钢管道经过现场焊接质量控制，可有效控制氩气纯度，保证焊接质量。

（3） 焊前预热

① 当焊件温度低于5℃时，应在距焊接位置100mm范围内均匀预热至15℃以上。

② 焊接前或焊件表面潮湿时，应对焊件进行预热和干燥，防止其湿度影响焊接质量。

③ 对于壁厚大于10mm的焊件，焊前对焊件进行预热，预热温度应为100-150℃。

④ 采用氧乙炔火焰预热时，中性火焰加热效果最佳。火焰朝向坡口时，应控制30°的角度，避免朝向坡口，扩大加热面积，避免一点加热。取而代之的是，加热范围应控制在坡口两侧100mm左右。

（4） 焊接操作要点

① 正式焊接前，应对引弧板进行试焊，调整好所有焊接参数后，方可正式焊接。

② 在焊接开始或焊接一段时间后，应在引弧前使用氩气。氩气的循环时间应控制在20-30s，以排出空气，并用氩气流带走风管内壁的水。

③ 为了避免焊接中断或结束后出现裂纹、缩孔等缺陷，必须在电弧停止时加入更多的金属，然后减小焊接电流。断弧后，氩气应保持约8秒，以保护钨和其他金属免受氧化。

④ 焊接工作必须连续进行，不得中断。尤其要避免在中间停留太久，防止表面氧化。如果必须中断，中断时间应控制在15分钟以内。

⑤ 清理焊缝弧坑后，准确找到引弧点，在引弧板或引弧槽内引弧（引弧板材质与母材相同）。禁止在非焊接部位引弧，否则会损坏母材。

⑥ 手工氩弧焊时，应协调送丝和焊枪运行速度，焊接速度应与焊接评定一致。一般采用快速少加焊丝的方法，焊丝与焊缝夹角控制在15度左右，焊枪与焊缝夹角一般在80度左右。为避免氧化膜的出现，焊接过程中应保证焊丝端部用氩气保护，并将焊丝横向摆动控制在其直径的3倍以内。

⑦ 管径大于DN500的管道对接焊缝，采用手工双面同步TIG焊工艺进行底焊。添加熔敷金属，内焊工负责辅助工作，这与在熔池中添加焊丝不同。两个焊工需要确保焊接速度相同，且内部焊工的焊接进度略慢于外部焊工。为了保证同步，可以通过熔池的相互感应来实现速度控制。

在保证良好的熔透性和性能的前提下，根据焊接工艺规程，尽量采用大电流快速焊接。

在焊接过程中，如果电极与电极或工件接触，在熔池附近会发生氧化发黑。此时，必须立即熄灭电弧。清除氧化发黑部位后，可继续焊接。喷嘴上有飞溅物时，必须及时清除，否则必须更换喷嘴。如果发现钨的前端被污染或形状不规则，需要立即纠正并更换钨极。钨极和熔池有明显现象时，应继续焊接。

3结论

在空分装置铝镁合金管道焊接中，严格的材料控制，熟练地操作工艺，规范的施工工艺，正确的焊接工艺，能有效提高焊接质量。焊接一次合格率达99.1%以上，突破了以往铝镁合金焊接合格率低的问题，保证了工程质量，缩短了工期。这一过程具有推广和借鉴意义。

参考文献

[1] 王炎，申世勇. 空分装置低温管道研究[J]. 河南科技，2020, 39(26): 50-52.

[2] 许颖杰，陈涛，李向军. 铝镁合金管道的焊接控制[J]. 焊接技术，2017, 46(12): 37-40.