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摘要：空分冷箱内铝合金管道对接接头的焊接质量决定了冷箱及设备的安全运行，本文结合空分铝合金管道焊接中常见的缺陷特点，简述铝合金管道焊接缺陷的产生和预防措施，编制合理的焊接工艺，介绍铝合金管道焊接过程中注意的事项、常见的焊接缺陷和工艺方法。
关键词：铝合金管道 焊接缺陷 焊接工艺
前言：我公司是承担安装国内外大中型制氧空分装置的专业公司，因空分冷箱是超低温设备（约-196℃）。冷箱内需要大量铝合金管道安装及焊接，由于铝合金管道组对结构复杂，对焊接工作造成一定的难度。因此，应该在工作中寻找更好的焊接及工艺方法。
一、铝合金管道
铝合金材料在现在工业中应用十分广泛，尤其在空分冷箱分离装置中，它是一种较常用的工艺管材。由于铝合金材料本身的特点以及空分装置生产工艺的特殊性。使其在脱脂加工，组装、焊接，探伤等工艺和要求与一般碳钢材料不同。
铝合金材料特性：铝合金管主要化学成份：含Mg为2.0﹪-2.8﹪，含Mn为0.4﹪-1.5﹪，其余为Al。机械性能：在热轧状态下，其抗拉强度不小于226Mpa,熔点均为650℃，熔化时无颜色变化。
铝是银白色的轻金属，具有良好的塑性、较高的导电性和导热性，同时还具有抗氧化和抗介质腐蚀的能力。铝比钢的比热大两倍，导热性能约大三倍，即升高同样的温度需要的热量较多，而散失热量较快。铝极易氧化产生难熔的三氧化二铝薄膜，在焊缝中容易产生夹杂物，从而破坏金属的连续性和均匀性，降低机械性能和耐蚀性。因此，铝合金管道焊接与其他材质相比，具有特殊性和难控制性，焊接操作难于掌握。
二、焊接缺陷及特点
合金管道焊接常见的缺陷有气孔、未焊透、裂纹、内凹、烧损。
1、气孔
铝及铝合金的焊接气孔主要是氢气孔。铝在液态时能大量吸收和溶解氢，在熔融状态下溶解度为0．0069ml／g， 而高温凝固状态下为0．00036ml／g，前后相差近20倍。铝的导热系数很大，在相同焊接工艺条件下，其冷却速度为钢的4-7倍，使金属结晶加快，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，氢气来不及选出在焊缝金属中形成气孔。
2、未焊透
焊件组对质量和施焊位置对铝镁合金管件的焊接质量尤为重要。组对间隙过小钝边过大、坡口角度太小及错边量超标等，极易在立焊和仰焊位置产生根部未焊透。
空分管道部分弯头，其厚度多大于直管段厚度，虽然经厚度过渡，但两边单位体积不同，导热量和散热量也有所不同，如果不注意焊枪角度和焊丝位置角度的调整，很容易形成单边根部未焊透。
焊件的焊前表面处理也是影响焊接质量的1个因素，焊件表面氧化膜清除不彻底、存有油污等杂质，焊接电流小、电弧过长、速度过快，都可以使焊接熔化温度不够而造成根部未焊透。
3、裂纹
铝合金的导热系数大，冷却速度快，熔池的一次结晶速度也快。其线膨胀系数是钢的2倍， 凝固时的体积收缩率为6．5％左右。所以铝焊缝的内应力及焊接接头刚性拘束力都较大，若组对应力过大，复杂的受力状态会使焊缝产生热裂纹。氧化膜和其它夹渣物的存在，可使其焊缝强度降低。
4、内凹
铝及铝合金在高温下随温度的不断升高， 其抗拉强度会越来越低，在400℃时，它的抗拉强度仅为 9．8N／mm2。当温度升到熔化温度时，抗拉强度几乎为0，已不能支撑自身的质量。接近熔化温度时，铝本身几乎没有塑性。达到熔化状态时，液态铝的流动性又非常强。 这3者并存决定了它必然要产生一定程度的内凹。管壁越厚，内凹越严重。所以，立焊时也极易下堵，成型过程中形成的焊瘤较多，严重时会烧穿管壁。
5、烧损
焊接速度过漫，熔池温度过高，会造成镁和锌的烧损。焊接小管径及薄壁管可
导致合金元素损伤，这种过烧会产生结晶组织氧化和疏松。
三、焊接工艺及措施
氩弧焊是焊接铝合金较完善的焊接方法，氩弧焊可利用氩离子的阴极破碎作用，有效地去除熔池表面的氧化铝薄膜，焊接时无熔渣，不会产生焊后残渣对接头的腐蚀，氩气流对焊接区域有冲刷、保护作用，使焊接接头冷却加快，从而改善了接头的组织和性能。
根据铝合金的特点以及现场焊接过程中可能遇到的情况，采取以下工艺措施防止各类缺陷的发生。
1、清理焊件和焊丝，保证其施焊表面无污物和氧化膜，焊丝必须按规定进行清洗和烘干。引弧时不允许钨棒与工件接触引弧，不得在母材或焊缝区直接进行，应将钨极在引弧板上燃烧炽热后，再到焊缝处引弧。因为冷的钨棒极易引起爆破喷屋造成熔池夹钨，影响焊缝质量。
2、尽量选用大直径焊丝，氮气的纯度在99．99％以上，其水分的含量小于0．08％， 必要时应进行干燥处理。熄弧操作正确与否直接影响焊缝质量和成型美观。因此，要求熄弧时应将弧坑填满，缩小熔池，避免产生缩孔，终点的结合处应焊过20-30毫米。
3、确保焊缝的组对间隙和错边量均符合要求。厚度较大的焊件采用U形坡回，以缩短加热时间，更厚一些就增加组对间隙到5-8mm。也可采用铝衬垫，焊接时连同垫圈一起焊接。
4、选择稍大一点的焊接线能量，控制好焊接速度与送丝的位置、深度、角度和方式。施焊前应适当预热，尽量缩短加热时间和熔池停留时间。根据工件的厚度和形状尺寸选择适当的预热温度，以减缓冷却速度，降低接头的内应力。可采取自由伸缩或加固点焊，附加背板、引弧板、收弧板以及收弧时采用衰减电流填满弧坑等方法，也可采用合适的焊接顺序和方法。
5、送丝操作、焊丝的添加和焊枪的运行动作应配合好，焊口表面尚未达到熔化温度时，焊丝的末端不应处于电弧区的氩气保护层内。待熔池加热到一定的温度，处于流动状时，立即将焊丝送入熔池。熔池宜小些、送丝速度可快些，尤其是不加衬圈的焊口。在局部有间隙时，则送丝速度要更快些，连续推送，否则易造成烧穿。
6、在定位焊和开始焊接时，必须保证不烧焦或烧熔不锈钢垫环，否则X光检查通不过。因此在引弧时不得直接指向垫环，应偏向一侧或者对准放入焊缝间隙的焊丝。形成熔池后，就可避免垫环烧穿。
7、对于单面焊的第一遍焊道必须保证焊透，透过均匀。焊工操作可观察熔池的大小和塌落情况来判断是否焊透；并在适当时向熔池送入焊丝，然后慢慢移动焊枪，遇到有定位焊之处，可适当拉长电弧、放慢速度，以保证焊透。
8、铝的特点导热快，焊接时需要的热量较大，一般固定焊口底部的起焊点易产生未焊透的现象。操作时稍拉长电弧做预热动作，待熔池加热到一定温度后，再加焊丝，后半圈的起点应盖过前半圈；起点20-30 毫米长的焊缝终点同样焊过头20～30毫米。
9、手工钨极氩弧焊的焊接工艺参数宜符合下表：
手工钨极氩弧焊工艺参数表
厚度
（mm）
焊接
层数
焊丝直径
（mm）
钨极直径
（mm）
喷嘴直径
（mm）
焊接电流
（A）
氩气流量
（L/min）
1-3
1
1.6-3.0
1.6-3.2
8-12
40-140
8-12
4-8
2-3
3.0-5.0
2.4-5.0
10-14
140-320
10-16
8-12
3-4
4.0-6.0
4.0-6.4
12-16
240-360
14-20
10、选用的母材应符合GB/T3190的规定.选用的焊丝应符合GB/T 10858及有关标准确的规定。
常用母材推荐采用的焊丝见表
母材牌号
3A21
5A02
3A21
+5A02
5083
5A02
+5083
3A21
+5083
1A93
焊丝牌号
SAlMn
SAlMg5
或LF11
SAlMg3
或5183
Sal—2
Sal—3
铝合金管道焊接完成后，应先进行焊缝质量的外观检查：焊缝应与母材表面圆滑过渡，其表面不得有裂纹、未熔合、气孔、氧化物、夹渣及过烧等缺陷；焊缝余高、焊缝咬边深度、表面凹陷、角焊缝的焊角高度等均应符合规范要求。
四、结束语
铝及铝合金的焊接与普通碳钢和不锈钢不同，实践证明，文中提出的焊接工艺措施是切实可行的。焊接的结果表明，采用以上工艺措施，铝合金管道的焊接缺陷得到了有效控制，使用效果良好。
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