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合金铝冷凝器的氩弧焊接工艺

   摘要:铝制冷凝器是生产车间的主要设备,用于二硫化碳的回收,由于该设备运行一段时间就会发生泄漏,每两年就需更换。该设备是制约生产长周期安全稳定运行的瓶颈,通过充分的论证、调研,查阅资料,分析认为,主要原因是焊口的承力低。提出了用熔化极氩弧焊代替钨极氩弧焊工艺,焊接铝制冷凝器6台,经一年多的生产运行检验,效果优异。

  关键词:铝、冷凝器、熔化极氩弧焊

  一、引言

  铝制冷凝器,用于CS2气体的回收,原工艺是采用手工钨极氩弧焊,其缺点是(1)焊道厚度小,熔深浅,承力低,该设备使用不到一年,因焊缝受到热胀冷缩的拉应力作用在焊口处发现开裂。(2)手工钨极氩弧焊焊接施工条件差,因管板较厚(30mm),施焊时需要将管板用气焊预热200℃以上,方能焊接。(3)焊接的效率低。为此我们进行了用熔化极氩弧焊(MIG)代替钨极氩弧焊(TIG)工艺并在生产实践中取得了成功,延长了设备的使用寿命。

  二.冷凝器的结构及工况

  冷凝器是管壳式结构,壳体是有碳钢制造,管束和管板的材料为L2工业纯铝。由121根管束与管板焊接而成,见图1。铝管规格为φ38×4 mm,长度为3600 mm,管板的规格为φ750×30 mm。管程走CS2与水蒸汽的混合气体,温度约为100℃。壳程走工业水,水温约在50℃。

  图1 冷凝器外形。

  三、可焊性分析

  铝的导电性和导热性比钢均大四倍,因此需要更高的线能量。铝具有面心立方结晶组织,纯金属的朔性非常好。铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大两倍,易产生较大的焊接变形和内应力,对刚性较大的结构将导致裂缝的产生。高温时的铝的强度和朔性很低,常常不能支持液体熔池金属的重量,破坏焊缝金属的成形,有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。纯铝的熔点低,熔化时颜色无变化。采用交流钨极氩弧焊(TIG)时虽然能够获得优良的焊接质量,但由于受到钨极许用电流的限制,焊接电流不能太大,一般只能焊接厚度小于4毫米的薄板。如果板厚大于6毫米,就需要开坡口焊接。当板厚大于8毫米,被焊接工件不但要开坡口,同时还需要预热才能进行焊。所以钨极氩弧焊焊接厚板时,显得生产率低、焊接变形大,劳动条件差。焊接冷凝器时,管子与管板的厚度相差较大,管子只有4 mm厚,而管板的厚度为30 mm,焊接时需将管板预热200℃以上,方可施焊,若施焊时焊炬对母材的加热不均匀,管板还未熔化,而管子的端头已烧塌,焊道只有靠着管子的端部的圆周上很薄的一层焊肉,管子和管板的熔深浅焊肉少,在热胀冷缩的应力作用下,将焊口拉裂。

  熔化极氩弧焊(MIG)用焊丝本身做电极,电流可以大大提高,因而母材熔深大,焊丝熔敷速度快,提高了劳动生产率。不仅不需要预热,改善了劳动条件,而且减少了焊接变形,特别适应于中等和大厚度板材的焊接。

  四、焊接工艺

  4.1坡口制备

  管孔采用3×45°坡口,以保证焊缝的熔深及熔透良好,增加焊缝的承载强度。铝管的伸出长度与管板的平面不大于3 mm。

  4.2焊接设备

  熔化极氩弧焊(MIG)的焊接设备选用技术先进、容量较大的瑞典ESAB生产的,型号为Aristo-500的焊机。

  4.3焊丝

  焊丝规格为φ1.2 mm,其型号为ER5356,是一种通用性好的铝镁合金焊丝,铝镁焊丝与纯铝及铝硅焊丝相比较,焊接纯铝时,焊接容易程度较好,所焊的接头强度较好,朔性中等,抗蚀性一般。经综合考虑,选用了焊缝强度较好的铝镁合金焊丝。母材及焊丝的化学成分组成如表1所示。

  表1 母材及焊丝的化学成分(%)

  Si+Fe   Cu     Mn        Mg      Cr     Zn     Ti      Al

  焊丝   0.5   0.1 0.05~0.2 4.5~5.5 0.05~0.2 0.1 0.06~0.2 余量

  母材   0.27                                                  余量

  4.4焊接参数

  焊接参数为:电流200-250A,电压22——25V,送丝速度12-13m/min,氩气流量17.5L/min,氩气纯度不低于99.70%。

  4.5管子与管板的定位

  铝管的固定采用托板的方式,就是按照铝管的伸出长度的要求,将直径与管板的直径相同的钢板,按照筒体上的法兰孔距钻孔,然后将托杆用螺丝固定在筒体的法兰上。靠托板将铝管定位。这样,节省了对管子和管板的点焊固定工序。

  4.6焊接

  将冷凝器立置,焊接为平焊位置,焊接处用角磨机打磨,露出金属光泽。焊接时从右侧到左侧进行施焊,每一列管子在前后的圆周方向上分为上半区和下半区,焊完上半区,再焊下半区。将管板过桥及管子的四周焊接一层厚度大于4毫米的堆焊层,不仅焊缝的熔深较深,在管桥上堆焊了一层焊道,管板的厚度增大,同时也大大增加了管板的刚度,改善管板上焊缝的力学性能,焊口的抗裂性增大。焊接时要掌握焊接的移动速度,焊炬与管板成70-75°角,焊接电弧的长度应保持与氩气保护罩的直径相同,约为20 mm。电弧过短容易烧损焊枪嘴和堵枪嘴。电弧过长则氩气保护不好,熔池的飞溅大,容易造成焊道的表面缺陷,影响成型。收弧时注意将弧坑填满。

  五、结束语

  2003年6月,采用熔化极氩弧焊对3台铝冷凝器焊接,经水压试漏合格后投入运行,经一年的使用效果对比,采用钨极氩弧焊方法焊接的冷凝器,发现在焊口有12处开裂,而熔化极氩弧焊焊接的冷凝器,只发现一处开裂,且漏点在距离焊缝20毫米的管体上。预计采用熔化极氩弧焊的工艺比钨极氩弧焊的工艺焊接的设备,其使用寿命提高1倍以上。2004年7月,焊接铝冷凝器4台。每台冷凝器的制造成本约5万元,可为工厂节约35万元,同时因设备的泄漏点的降低,增加了CS2物料的回收量,CS2排放减少,具有一定的社会效益。

  参考文献:

  [1]姜焕中. 焊接方法及设备 [M] 北京:机械工业出版社,1981.第229页

  [2]美国金属学会. 金属手册第六卷 [M] 北京:机械工业出版社,1984.第520页

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