鋁合金精餾塔的現場焊接技術

　　一、概述

　　首鋼制氧廠從西德林德公司購入的3萬m。的制氧機組全套設備總重量約2200t，80多萬件。僅鋁合金管道就有11種之多，其空分裝置冷箱內的鋁合金管道材質等級為K級，設計溫度為-195～150℃，管道從φ25mm到φ100mm共98條管線，長度累計3470多m，僅管道接頭多達：3200多個。

　　1.物理性能

　　鋁及其合金的導熱性強而熱容量大，線膨脹系數大，易產生較大的焊接變形和內應力。另外，鋁及其合金由固態轉變為液態時，并無顏色的變化，因此不易確定焊縫的坡口是否熔化，給在焊接操作上掌握和控制溫度帶來了很大困難。同時高溫時鋁及其合金的強度小，常可破壞焊縫金屬的成形，易造成焊縫金屬塌落和燒穿。

　　2.化學性質

　　鋁及鋁合金表面，極易形成致密難熔的三氧化二鋁氧化膜，這層氧化膜不僅會阻礙著基本金屬的熔合，而且易造成焊縫金屬的夾雜，引起焊縫性能的下降。另外，氧化膜還會吸附大量水分而促使焊縫產生氣孔。

　　由此不難看出此次安裝施工難度大，焊接質量要求高，所以我們要求所有參加的焊工必須進行崗前培訓，經考試合格，德國專家認可，方可進行現場焊接操作。雖然已經預先完成了各項相關的工藝評定，但是現場的實際組焊工作要比試樣什的工藝評定更復雜、更艱難。

　　二、精餾空氣塔的現場焊接技術

　　制氧機組的心臟設備空分裝置冷箱，按其功能劃分為主熱交換器、精餾空氣塔和稀有氣體三部分箱體。精鎦空氣塔塔體均為鋁鎂合金制造，分為壓力塔(下塔)和低壓塔(上塔)，塔段之問的環縫需要現場拼裝后焊接。為確保焊接質量，施焊前進行了焊接性分析和各項相關的焊接工藝評定工作，制定了相應的焊接參數。

　　1.焊接參數的選擇

　　根據焊接工藝試驗的結果，我們進行現場焊接時的工藝參數選擇范圍匯總(見下表)。

　　在實際焊接時，我們將使用的鈰鎢極磨成圓珠形基本上滿足了要求，使用純度＞99.99％的氬氣作為焊接時的保護氣，并根據焊件厚度和實際焊接時的具體情況來確定焊接電流的大小，通過試焊操作進行試板模擬，并觀察電弧情況來判斷電流是否合適(如圖1所示)。

　　焊接電流正常時鎢極端部呈熔融狀的半球形(見圖1a)，此時電弧最穩定，焊縫成形良好；焊接電流過小，鎢極端部電弧單邊(見圖1b)，此時電弧易飄動；焊接電流過大時，易使鎢極端部發熱(見圖1c)，鎢極的熔化部分易脫落到焊接熔池中形成夾鎢等缺陷，并且電弧不穩定，焊接質量差。只有調整好工藝參數，確認無表面缺陷后，才能夠進行正式的焊接操作。

　　2.精餾塔焊縫位置及形式

　　由于制氧設備屬于大型超限設備，需要分節運抵現場進行安裝和組焊。其中精餾塔低壓塔(上塔)高18.68m，內徑3.85m，壁厚8mm，與壓力塔(下塔)接口端部以20mm，的加固形成過渡；壓力塔(下塔)高7.9m，內徑3.85m，壁厚14mm，其接口呈梯度差形式的接頭，拼接接頭需在冷箱內進行，焊縫標高21.84m，成形焊縫長 12.23m，焊縫總量為61.15m，對于精餾塔塔段之間的環縫我們按照要求采用交流氬弧焊雙人雙面對稱焊技術，拼接焊縫的位置及形式見圖2。

　　三、現場焊接技術措施及操作要點

　　1.焊前清理

　　我們使用風動銑刀在焊縫兩側(包括坡口、管道里)嚴格清除表面油污和氧化膜層，焊絲用不銹鋼絲擦光。焊接坡口的加工采用風動砂輪按規范要求進行，由于下塔體壁厚14mm，上塔體壁厚8mm，所以下塔體接頭端必須先作削薄過渡，才能進行焊接。

　　2.施工條件

　　鋁合金管道的焊接分成箱外預制、箱內安裝兩個階段進行。預制不加襯環轉動焊，單面焊雙面成形，要求里邊焊肉高1～2mm，不能有焊瘤，否則影響管道的氣體流量。固定口焊接時加復合襯環，對焊襯環要插入管道內部，搭接處的角焊點不小于6個點。

　　固定口仰位焊接的技術要求高，保證一次到位，噴嘴與根部距離保持6～8mm。進行箱外預制口轉動焊時，每一道焊縫的起弧、收尾，都是保證焊接質量的關鍵。若起弧時工件溫度低，就不易焊透，易產生未熔合；如果預熱時間長，熔池就不容易觀察，常會因溫度過高而產生弧坑縮孔，所以引弧前5～10s要提前送氣；預熱時不斷地用焊絲輕輕觸動熔池表面，觀察溫度變化和熔化狀況，并及時將焊絲向前移動；收弧時采用短弧法，注意填滿弧坑，熄弧后待熔池冷卻變暗后，再停止送氣；這樣可以利用氬氣延時保護，防止缺陷產生。

　　3.采取的措施

　　由于精餾空分塔上下塔連接環焊縫的焊接質量要求相當嚴格，焊縫必須一次焊接成功，在嚴格制定焊接工藝、精心組織現場施工的同時，還采取了如下措施：

　　(1)采用雙人雙面對稱焊技術，每兩人一組，里外面對應同步快速焊接，中間停留時間盡可能短。將8名焊工分4組，里外各4人，要求連續工作一次焊完一遍。

　　(2)選擇完好的同型焊接設備，性能一致，電流調節靈敏，起弧快，有利于焊接達到同步(第1層焊接電流為160～170A，第2～5層為220～230A)。

　　(3)保證焊槍冷卻水暢通，水質潔凈(在入口截門處設置過濾網)保證焊槍水路不堵塞嚴防燒槍。

　　(4)保證氬氣質量(純度不低于99.99％)和流量，將氣帶縮短，將氣體流量按規范調至18L/min。

　　(5)同時還在上下塔的焊縫兩邊100mm處做標記，隨時觀測數據變化而迅速做出相應的調整。

　
　　(6)在第一遍開始焊接前，利用氧乙炔焰進行100～150℃的預熱，同時安裝加固圈，作為臨時支撐。

　　(7) 上下塔成形組拼時，是要進行定位焊的。定位焊的工藝參數與正式焊接相同。每隔350～400mm一個固定焊點，焊點長60～80mm，焊肉高4～5mm，我們從東開始焊，雙人雙面對稱焊，自然冷卻后，測量塔的垂直度時卻發現偏向了東北方。于是，我們重上加固圈，將焊工分兩組，第一組從東北方向起焊，第二組稍后從西南開始起焊(如圖3所示)。在施焊中注意隨時徹底清理焊點，并重新用砂輪加工坡口，再次調整間隙，直到焊接完成。焊縫冷卻后，再一次測量垂直度，偏差基本達標。我們這次就是利用了鋁合金導熱性強、線膨脹系數大，易變形的特點來調整垂直度偏差的。

　　(8)第2～5遍的焊接各組焊工從不同的方向對稱起焊，注意保持焊槍的高度和角度，始終保持氣路暢通不受污染，直至焊接完成。

　　四、焊后質量檢驗

　　根據西德制造廠家的要求，在上、下塔成形對接焊縫完成以后，經過外觀檢驗、經x射線探傷，全部焊縫達到合格標準，獲得了滿意的焊接質量，保證了該制氧機組的按時投產使用。