杏鑫平台主管_5052铝热合金换热器封头体焊接裂纹

发改委对液压机装备制造产业结构调整

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铝制板翅式换热器是空分设备的组成部分之一,封头体又是铝制板翅式换热器上的主要受压元件,其焊接质量的好坏直接影响着产品质量。封头体上的拼接焊缝是一条关键焊缝,按图纸要求要对该焊缝进行100%Ｘ射线探伤,符合ＪＢ4730 94《压力容器无损检测》规定,达Ⅱ级要求为合格焊缝。在实际生产中,在封头体拼接焊缝交接处Ｘ射线探伤常发现有裂纹缺陷,需进行返修,既增加了焊工的工作量,又影响了产品的生产进度。为此对该处裂纹的产生原因进行了综合分析,最终解决了问题,保证了产品的焊接质量。

1　封头结构

板翅式换热器上所用封头结构如图1所示,由封头体和接管两部分组成,封头体由1、2、3三部分拼制而成,封头体和接管都是用10ｍｍ厚的5052铝合金板料焊制而成。

2　焊接方法及工艺

2.1　焊接方法焊缝采用手工钨极氩弧焊平位置焊接,交流电源,采用纯度不低于99.9%的纯氩气保护。
铝合金具有导热性强、热容量大、线胀系数大、熔点低和高温强度小的特点,因而焊接铝及其合金时,大量的热量被迅速传导到基体内部,造成能量大量损耗。为了获得高质量的焊接接头,采用能量集中、功率大的能源以保证焊缝熔合良好很有必要。手工钨极氩弧焊不仅能满足这方面的要求,而且其特有的“阴极雾化”作用更有利于保证焊接的质量。
氩弧焊所用氩气符合ＧＢ/Ｔ4842 1995《纯氩》的要求,并保证氩气瓶压不低于0.5ＭＰａ。
2.2　焊前准备
(1)焊件用化学方法去除油污等并烘干,焊丝清洁干燥后及时使用。铝合金液体熔池很易吸收氢等气体,高温下溶入的大量气体在焊后冷却凝固过程中来不及析出,聚集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分,都是焊缝气孔中氢的重要来源。因此,焊接前对母材坡口与焊丝进行清理、烘干是很有必要的。
(2)用机械方法清理干净坡口及其两侧30～50ｍｍ范围内的氧化膜及其它有害杂质,直至露出金属光泽。铝和氧的亲和力很强,铝在空气中极易与氧化合生成致密结实的Ａｌ2Ｏ3薄膜,Ａｌ2Ｏ3的相对密度较大,约为铝的1.4倍。在焊接过程中,氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合,易造成夹渣氧化铝薄膜还会吸附水分,焊接时会促使焊缝成气孔。因此,为保证焊接质量,焊前必须严格理焊件表面的氧化物,并防止在焊接过程中二氧化。对熔化金属和处于高温下的金属应进行效的保护,这是铝及铝合金焊接的一个重要特点
(3)检查氩弧焊焊机、水、电、气路是否完好畅通。
(4)按尺寸要求进行装配、点焊定位。
2.3　焊接工艺
封头上焊缝均采用对接接头,开Ｖ形坡口,间隙为2ｍｍ,钝边高为2ｍｍ。坡口型式及尺寸如图2所示。焊缝采用正面焊3道,背面封底焊。焊接层次及顺序如图2所示。

主要焊接参数见表1。背焊清除焊根,焊接过程中应注意层间清除氧化膜,层间温度≤150℃。

2.4　焊缝检验
焊缝外观检验合格,而经100%Ｘ射线探伤检查发现,在焊缝中心部位两条焊缝交接处明显有裂纹,长度约10ｍｍ左右,形状有两种(见图3)。
3　原因分析及解决方案

根据5052铝合金的熔焊特点及裂纹形状位置,可判断出产生的裂纹是结晶裂纹。结晶裂纹是热裂纹中一种普遍的形态,也是焊接生产中经常遇到的一种缺陷。结晶裂纹大部分都是沿着焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的,最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,即纵向裂纹,有时在焊缝内部分布在两个树枝状晶体之间。产生结晶裂纹的原因是在焊缝金属凝固的过程中,低熔点共晶被排挤在晶界,形成一种所谓“液态薄膜”,在焊缝金属结晶的过程中,由于收缩而受到了拉伸应力,这时焊缝中的“液态薄膜”就成了薄弱地带,在拉伸应力的作用下就有可能在这里开裂而形成结晶裂纹。因此,液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因,而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。
5052封头体拼接焊缝所用的焊接工艺是经过焊接工艺评定合格的,而且封头体上的拼缝与接管上拼缝所用的焊接工艺完全一样,但Ｘ射线探伤检查显示,接管上的拼缝完全合格,只有封头体上的焊缝普遍发现了焊接裂纹。初步断定应该是在焊接封头体时产生了焊接应力,导致裂纹的产生,问题可能出在焊接操作上。
观察焊工施焊过程,发现焊工在焊接这种拼接焊缝时,习惯于分段焊接,即图1中,先焊ａｂ段,再焊ｂｃ段。于是位置ｂ既是熄弧坑又是应力最集中的位置,该位置就成为最薄弱环节,于是在焊接应力的作用下沿着焊缝树枝状结晶的交界处就产生了裂纹。
根据裂纹产生的原因,着手从焊接操作过程上来解决这一问题。要求焊工在焊制5052封头体拼接焊缝时,尽量减少熄弧,一次焊接完成,即焊接顺序为ａ→ｂ→ｃ。如果由于焊丝或其它原因要熄弧的话,应在ａｂ段或ｂｃ段中部熄弧,以避免ｂ处应力集中,刚度增大。总的原则就是尽量使焊缝能在较小刚度条件下焊接,使各条焊缝都有收缩的可能,以防止裂纹的产生。