工业纯铝焊接工艺研究

高 敏，李 海，王志强

(1.东北电力大学 机械工程学院，吉林 吉林 132012；2.丰满发电厂 电气工程处，吉林 吉林 132108；3.吉林石化公司电石厂，吉林 吉林 132022)

铝材具有可塑性能高、耐蚀性能强且易承受压力加工和拉伸的特点，被广泛应用于化学工业的储罐、塔器、热交换器及一些深冷设备中.在空气中，铝的表面极易形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜能阻止母材进一步被氧化，由于这一特点，使铝金属在浓硝酸储存和浓硝酸输送管线中得到了广泛的应用[1].某公司研发的新型浓硝酸铁道罐车，就采用了中厚板纯铝材料进行制造.

1 焊接难点分析

由于铝材特殊的物理化学特性，其焊接工艺特点与钢比较有很大的不同，如表1所示.

1.1 焊接热源

表1中显示铝材比热容约为低碳钢和不锈钢的两倍、热导率则是低碳钢的五倍、奥氏体不锈钢的十倍.焊接过程中，一少部分能量用来熔化金属[2]，大部分能量则消耗在金属的其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著.为保证焊接接头质量，焊接时需采用相对集中的、大功率的热源，附加预热等工艺措施[3].

表1 铝与钢的物理化学性能

1.2 气孔的产生

纯铝在空气中被氧化后，会在表面生成一层致密的氧化膜，这层膜熔点高且非常稳定，会阻碍母材后续发生的熔化和熔合，铝材的表面氧化膜、母材和焊材表面所吸附的水分，是产生氢气孔的主要原因；另外，纯液态铝中溶解了大量的氢，固态铝却几乎不溶解氢，其溶解度相差近二十倍.在高温时，熔化的铝液中吸收大量氢分子；在凝固时，氢的溶解度突变，以气泡的形式溢出.由于铝的热导率大，熔池冷却速度快，焊缝中的氢来不及溢出，就在凝固的焊缝中形成氢气孔[4].

1.3 焊接变形

在表1中，纯铝的线膨胀系数比低碳钢的高出两倍.所以当纯铝凝固时，体积收缩率达6.5%～6.6%[5]，焊件的变形和应力较大.因此，需采取预防焊接变形的措施.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.

1.4 焊接操作难度大

纯铝具有较强的反光射能力，在焊接时由固态转变为液态时，表面颜色无明显变化，因此在焊接过程中，给操作者带来不少困难[6]，难以进行准确的判断；另外，高温纯铝的强度不足，难以支撑熔池，极易造成焊穿.

2 焊接工艺试验

2.1 试验材料

试验材料为1050A(H112)，规格为500 mm×240 mm×24 mm，铝含量为99.5%.焊缝填充材料的选择应依据母材的成分、力学性能、耐腐蚀性能及其它使用性能，工业纯铝宜采用纯度不低于母材的填充材料，试验焊丝应采用铝合金焊丝SAL1450，规格为Φ4 mm和Φ5 mm.所采用的母材、焊材的具体成分见表2，焊接过程中采用高纯度(99.99%)氩气作为保护[7]，氩气具有较高的热输入，可使熔滴过程非常稳定、容易控制.

表2 母材和焊材的化学成分(质量分数%)

2.2 焊前准备

焊接试验中焊接试件采用X型坡口，坡口角度为80°、组对间隙5 mm、10 mm钝边.试件坡口部位及其两边各50 mm范围内要用有机溶剂(如汽油、丙酮)擦去油污[8]、灰尘及其他有害杂质，之后用不锈钢丝刷清除掉附着在金属表面的氧化膜，试板状态如图1所示.如果焊前清理不到位或者预热温度不够，焊缝中就很容易出现气孔、夹杂、未熔合等缺陷[9].

焊材采用真空包装的表面抛光焊丝，开封后未使用完的焊丝需存放于100 ℃的保温箱中随用随取.

2.3 焊接方法及试验参数

铝制化工设备通常采用钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊，熔化极氩弧焊适用范围较广，可以在4 mm厚度以上的工件焊接任何位置的焊缝，并能得到优良的焊接质量[10].试验采用钨极脉冲氩弧焊、双面同步打底，自动熔化极气体保护、填充盖面工艺.焊接工艺试验参数，如表3所示.

表3 焊接工艺参数

3 试验结果与分析

3.1 无损检测

焊后对试件进行100%RT检测，有分散的几个气孔，符合NB/T47013.5-2015 Ⅱ级合格如图2所示；对焊缝表面进行100%PT检测，无表面缺陷，符合JB/T4730.2-2005 Ⅰ级合格.

图1 坡口形式和清洁状态 图2 射线检测结果

3.2 弯曲试验

取四个横向侧弯试样，将焊缝余高去除，试样的金属焊缝中心正对弯心轴线，保证焊缝金属以及热影响区完全分布在试样的弯曲部分内，试验后观察弯曲面无开口缺陷.

3.3 拉伸试验

分别制取母材、焊接接头拉伸试样，试验数据如表4所示，焊接接头断裂位置在焊缝中心，试样断面无气孔、未熔合缺陷.

表4 力学性能试验结果

4 结 论

采用钨极脉冲氩弧焊、自动熔化极气体保护焊对铝材进行焊接，焊缝区域焊前必须清理干净；严格执行工艺操作规程；选择适当的焊接工艺参数.在浓硝酸铁路罐车的制造过程中应用此工艺，焊缝成型美观，通过对焊缝进行RT检测、PT检测、弯曲和拉伸试验，试验结果符合要求、焊缝探伤合格率达到96%.