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百米铝烟囱的焊接
摘要 介绍了100 m铝烟囱交流钨极氩弧焊工艺。提出了防止焊接变形措施和劳动保护措施;解决了l2纯铝焊接时难熔合、易焊塌、易夹钨、易产生气孔和裂纹以及小铝筒内焊缝如何成形的问题。焊接接头一次探伤合格率达到96.8%,所焊接头成形美观,力学性能良好。
关键词: 交流钨极氩弧焊 铝烟囱 l2纯铝
0 前 言
某公司制造安装的100 m铝烟囱,筒体材质为l2纯铝,直径为600 mm,下部壁厚12 mm,上部壁厚10mm,高100 m,筒体由1.1 m×1.1 m×95 m的衔架式网结构固定。烟囱焊缝总长305 m,其中环缝200 m,纵缝105 m,另外还有几个支座的角焊缝约30 m。烟囱的所有纵、环焊缝不仅要求有良好的抗烟气腐蚀性,而且由于烟囱高达100 m,尽管有钢架结构固定,仍要承受较大的自重压弯力,要求接头具有良好的力学性能;烟气从生产装置中排出时为正压,要求接头具有良好的致密性,图纸要求20%x射线探伤,三级合格;由于烟囱直径小,内焊缝无法施焊,只能采用单面焊。为了获得满足上述要求的焊缝,我们首先对l2纯铝作了焊接性分析,以便采取有效措施,选择合理的焊接工艺。l2纯铝是一种焊接性较差的材料,要获得满意的焊缝,必须采取相应措施:①必须采取能量集中、功率大的热源;②严格处理坡口及附近和焊丝表面的氧膜,焊接时必须及时去除熔池区的氧化膜;③合理选择焊材和焊接工艺参数;④设计合格的工装胎夹具。
1 焊接设备
由于母材l2纯铝热导率大,焊接时要求使用大功率热源。我们选用nsa-500-1型交流钨极氩弧焊机,该机采用高压脉冲引燃电弧和维持电弧稳定燃烧,用电容器消除焊接电流中的直流分量,与气焊相比功率大、热量集中,与直流焊机相比,熔深适中。另外,额定电流为500 a的机型正好能满足10~12 mm厚铝板焊接所需的电流。10~12 mm厚的铝板对接,焊接电流需要280~360 a。选用5 mm的铈钨棒。焊枪要求采用水冷措施,以防止长时间大功率焊接时焊枪过热。根据既要能有效地保护好熔池又便于操作的原则,选用20 mm孔径的喷嘴。
2 焊接材料
l2纯铝的热裂纹倾向虽小,但在结构刚度较大、杂质含量较多或工艺参数选择不当时,也会引起裂纹,尤其是当焊缝中硅含量多于铁(即fe/si<1)时,裂纹倾向增大。另外,为了保证焊缝具有与母材相同的抗烟气腐蚀性能,选用sal-2焊丝比较合适。该焊丝的fe/si=0.25/0.20,化学成分与母材相近,选择直径3mm和4 mm的两种焊丝。选用一级纯氩,氩气流量为20~25 l/min。
3 焊前准备
(1)考虑到现场焊接时,由于铝烟囱筒体直径小,又要预热,不能在里面施焊,故选用v形外坡口。铝校平后,采用机械加工方法加工坡口(图1)。为减小熔池中氢、氧杂质元素含量,坡口面及周围30 mm范围内的油污等杂物用角向砂轮机打磨光,并采用丙酮擦干净。尤其是坡口背面应着重打磨,因为阴极雾化作用达不到背面的成形焊道,氧化膜将影响背面焊道质量。
(2)由于铝板加热到熔化时,颜色变化不明显,容易焊漏。为了保证背面焊缝金属免受空气危害、成形美观、根部焊透,背面衬垫一块带有槽的不锈钢板,纵缝采用直条,环缝采用特制的环形垫板,我们设计的垫板是在10 mm厚、50 mm宽的不锈钢板中央刨一条弧形槽后卷制而成的。环形垫板外周长略短于筒体内周长,弯曲半径大于筒体内圆半径,其首尾焊上螺母,可用螺杆顶开。这样借助垫板本身弹力和螺杆顶力,使其紧贴筒体内壁。此环形垫板可拆卸,重复使用。
(3)高温液态纯铝流动性好,坡口两端容易产生熔化金属流淌现象,此外,钨极氩弧焊引弧处容易产生夹钨、气孔、焊缝发黑等缺陷,因此,在焊缝两端坡口处加上50 mm×50 mm×10 mm铝引弧板和收弧板,既可以将焊缝两端坡口焊满,又可以避免引弧和收弧的缺陷带入焊缝。实践证明,中途收弧后,重新引弧焊接时,也要使用引弧板进行热电极引弧,所谓热电极引弧,就是在靠近焊接区放着的引弧板上引燃电弧,待电弧燃烧稳定,钨棒端部发红后熄弧,然后立即在焊接区再引弧焊接。因为炽热电极发射电子能力强,容易引弧,此法可大大减少引弧缺陷,提高焊接质量。
(4)预热是纯铝焊接的关键工序。预热温度不够,要求电流更大,而且容易产生未熔合和未焊透缺陷,而预热温度过高,背面熔化母材增宽,热影响区增宽,晶粒粗大,焊缝力学性能下降,原则上应根据板厚选择。实践证明,10~12 mm铝板的预热温度控制在(220~240)℃比较合适。由于铝筒体积大,散热快,故采用scd型绳状电加热器,从筒体内部对整个焊接区均匀持续加热,如图2所示,利用自动控温仪控制温度。另外,为加强预热效果和改善操作环境,铝筒两端用石棉
板堵死,外部用石棉包住。
图2 组装纵缝工装图
(5)焊纵缝时,为防止出现棱角变形,采用两根角钢作压杠压在焊缝两侧,用导链拉紧(图2),此法还可消除错边。焊环缝时,既要防止出现棱角变形,又要防止筒体弯曲变形,尤其是当许多节筒体组焊在一起以后,烟囱自重引起的弯曲更不可忽视。我们的办法是:①增加环形垫板厚度和支撑力来防止棱角变形;②采用对称均匀分布的多支点滚轮架来防止筒体弯曲变形(图3),图中只画出两节筒体对接的情况,实际生产时在平直轨道上装有许多对滚轮,这批滚轮都要经过校正校平,使它们排列在两条平行直线上。多节铝筒对接时,加热装置逐节后退,筒体逐节延长。
图3 组装环缝工装图
4 焊接试验
首先模拟实际生产情况,采用10 mm×150 mm×300 mm和12 mm×15 mm×300 mm各若干块试板进行对接接头试验。经过多次试焊,摸索出了理想的焊接参数。焊缝成形美观,经100%x射线探伤,全部符合jb1580—75铝探伤标准i级,焊接参数及接头力学性能见表1和表2。
表1 焊接参数
表2 接头力学性能
5 现场焊接效果
百米铝烟囱焊完后,经x射线拍片抽查,一次合格率达到96.8%,其中不合格和级别低的片子的缺陷主要是夹钨和气孔,多因焊工操作不熟练所致。经改进,拍片一次合格率提高,焊缝成形美观。
6 结 论
(1)采用交流钨极氩弧焊方法焊接百米铝烟囱,选用合理的焊接工艺,可提高焊缝质量。
(2)采用环形垫板,既能防止铝筒棱角变形和焊塌,焊缝背面也成形良好。
(3)焊接时,坡口两端必须使用引弧板和收弧板,焊道接头处也要采用引弧板进行热电极引弧,才能提高引弧成功率,减少焊接缺陷。
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于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。