CN111014900B - 一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，采用冷却装置包裹铝钢异种金属管接头并通循环水进行冷却，分别采用纯He气体保护直流TIG焊以及40％‑50％He‑Ar混合气体保护交流TIG焊对铝钢异种金属管接头在管路***中的不锈钢端以及铝合金端连接焊缝进行小电流分段焊接，且先焊接不锈钢端焊缝，让铝合金端处于自由状态；同时，检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，不超过管接头铝钢焊缝所能承受的最高温度才能进行焊接。本发明方法可有效防止焊接过程中热应力和收缩应力导致硬脆的铝钢异种金属管接头自身焊缝开裂；同时，保证其自身焊缝性能不受焊接热输入的影响，防止后续使用过程中其自身焊缝开裂。

Description

一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法
技术领域
本发明涉及一种电弧焊接方法，具体涉及一种在装配焊接铝钢异种金属过渡管接头过程中防止其开裂的焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
铝钢异种金属连接结构，既具有铝合金比重小、导电性能好、耐蚀性能好的优点，同时兼具钢的高强度特点，具有很高的实用价值，应用越来越广泛；尤其是在航空航天、空气分离等行业的管路连接***中，由于产品结构需要，必须使用铝钢异种金属管接头。
铝钢异种金属管接头，一般通过惯性摩擦焊、扩散焊以及***焊等方法焊接后作为管路连接***的过渡接头使用，需要在管路连接***中一端与铝合金、另一端与钢进行装配焊接，实现密封以及过渡连接等功能。通常情况下，铝钢异种金属管接头在管路***中的焊接均为两端约束结构；同时，受管路***整体结构的限制，铝钢异种金属管接头长度都较短，一般不超100mm，在管路***中的焊接部位与铝钢异种金属管接头本身的铝钢焊缝距离很近，甚至仅10-20mm；此外，受管路***整体结构的空间限制，铝钢异种金属管接头在管路***中的焊接只能采用手工TIG焊接方式，热输入较大。上述结构导致铝钢异种金属管接头在管路***中的焊接存在以下问题：由于铝-钢材料热胀系数、熔点等物理化学性能的较大差异，铝钢异种金属管接头通过惯性摩擦焊、扩散焊以及***焊等方法才能形成可靠的连接，但焊缝由硬脆的金属间化合物组成，塑性较差，在管路***约束条件下进行焊接，焊接热输入产生的热应力以及约束结构产生的焊接收缩应力常导致铝钢异种金属管接头自身焊缝开裂，开裂后无法进行补焊返修，而且某些管路***受结构限制也不能更换铝钢异种金属管接头重新焊接，或者需要花费大量成本分解整个管路***才能更换铝钢异种金属管接头重新焊接；此外，装配焊接过程中，热输入引起铝钢异种金属管接头温度上升，当温升超过铝钢焊缝界面所能承受的最高温度后，随着温度的升高接头性能迅速下降，严重影响管接头在后续使用过程的性能，常发生在使用过程中铝钢接头开裂的现象。
所以，铝钢异种金属管接头在管路连接***中的装配焊接，必须防止铝钢焊缝开裂，同时还必须控制铝钢焊缝的温度，保证一次焊接成功、保证管接头铝钢焊缝的性能。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，旨在解决铝钢异种金属管接头在管路连接***中约束条件下装配焊接热应力以及收缩应力导致铝钢焊缝开裂的问题。本发明方法用于实现在管路系中两端受约束的铝钢异种金属管接头过渡结构的电弧焊接，包括：采用冷却装置包裹铝钢异种金属管接头并通循环水进行冷却，分别采用纯He气体保护直流TIG焊以及40％-50％He-Ar混合气体保护交流TIG焊对铝钢异种金属管接头在管路***中的不锈钢端以及铝合金端连接焊缝进行小电流分段焊接，且先焊接不锈钢端焊缝，让铝合金端处于自由状态，再焊接铝合金端焊缝；同时，检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，不超过管接头铝钢焊缝所能承受的最高温度才能进行焊接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，包括如下步骤：
步骤一、焊前准备：
焊前根据需要对工件开制适当的焊接坡口，然后机械打磨去除焊接部位表面氧化膜至金属光泽，并用工业酒精和丙酮清洗去除杂质和油污；
步骤二、安装冷却装置：
在铝钢异种金属管接头的表面均匀涂抹导热硅胶，将冷却装置安装包裹在管接头表面，启动冷却装置的循环水；
步骤三、采用纯He气体保护直流TIG焊方法焊接不锈钢端焊缝；
步骤四、采用40％-50％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法焊接铝合金端焊缝；
步骤五、结束焊接：
待焊缝焊接完成后，关闭焊接电源，待铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度降到室温后再关闭冷却装置的循环水、拆卸冷却装置，将铝钢异种金属管接头擦拭干净，完成焊接。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
1.本发明提供了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，所述方法装备简单、工艺简洁，尤其适合管路结构中操作空间有限、结构受约束而只能采用手工焊接方式才能实现铝钢异种金属管接头过渡连接焊缝的焊接，可有效防止焊接过程中热应力和收缩应力导致硬脆的铝钢异种金属管接头自身焊缝开裂；同时，保证其自身焊缝性能不受焊接热输入的影响，防止后续使用过程中其自身焊缝开裂。
2.本发明提供了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，所述方法关键之一是让铝合金端处于自由状态而先焊接不锈钢端焊缝再焊接铝合金端焊缝。由于不锈钢强度一般都较铝合金高，焊接收缩产生的应力较铝合金大，先焊接不锈钢端焊缝可完全释放其焊接收缩应力，最终残留相对较小的铝合金端焊缝焊接收缩应力作用于铝钢异种金属管接头，最大限度降低焊接收缩应力，防止管接头铝钢焊缝开裂；同时，不锈钢热胀系数远小于铝合金，先焊接不锈钢端焊缝可显著减小焊接收缩及变形，保证焊接铝合金端焊缝时较小的装配间隙和错缝，避免了先焊接铝合金端焊缝由于收缩及变形大而使不锈钢端焊缝产生过大的装配间隙和错缝，防止产生大的焊接温度和残余应力作用于管接头的铝钢焊缝。
3.本发明提供了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，所述方法关键之一是采用纯He气体保护直流TIG焊方法对铝钢异种金属管接头不锈钢端焊缝进行分段焊接，采用40％-50％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法对铝合金端焊缝进行分段焊接，在保证焊接质量的前提下，从源头降低焊接热输入对管接头铝钢焊缝的温升，防止由于铝-钢材料热胀系数的较大差异而使管接头铝钢焊缝产生热应力导致开裂。
4.本发明提供了一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，所述方法关键之一是采用冷却装置在焊接过程对铝钢异种金属管接头进行冷却降温，控制管接头铝钢焊缝的温升，防止由于铝-钢材料热胀系数的较大差异而使管接头铝钢焊缝产生热应力导致开裂，防止影响铝钢焊缝的性能。
具体实施方式
一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，包括如下步骤：
(1)焊前准备
焊前根据需要对工件开制适当的焊接坡口(焊接坡口结构根据待焊接工件的壁厚而定)，然后机械打磨去除焊接部位表面氧化膜至金属光泽，并用工业酒精和丙酮清洗去除杂质和油污。
(2)安装冷却装置
在铝钢异种金属管接头的表面均匀涂抹导热硅胶，将冷却装置安装包裹在其表面，启动冷却装置的循环水。
(3)焊接不锈钢端焊缝
装配铝钢异种金属管接头，让铝合金端处于自由状态，对不锈钢端焊缝进行定位焊接，而后进行正式焊接；定位焊以及正式焊接参数：纯He气体保护直流TIG焊方法、焊接电流25-35A，焊接过程采用分段焊接，每段焊缝长度不超过80mm，可根据焊缝成形情况添加焊丝；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(4)焊接铝合金端焊缝
定位焊接铝合金端焊缝，而后进行正式焊接，定位焊以及正式焊接参数：采用40％-50％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法、焊接电流45-55A，焊接过程采用分段焊接，每段焊缝长度不超过60mm，可根据焊缝成形情况添加焊丝；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(5)结束焊接
待焊缝焊接完成后，关闭焊接电源，让循环水冷却装置继续工作一段时间，待检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度降到室温后方可停止冷却装置工作，拆卸冷却装置，将铝钢异种金属管接头表面的导热硅胶擦拭干净，完成焊接。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步描述。
实施例1：
一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，采用所述方法对受约束状态铝钢异种金属管接头连接结构进行焊接：铝钢异种金属管接头直径150mm，壁厚5mm，由5A06铝合金和304不锈钢通过惯性摩擦焊接后机加而成，在管路***中其铝合金端与同种材料的铝合金封头焊接、不锈钢端与同种材料的不锈钢封头焊接，焊接结构为对接，两条对接焊缝距铝钢异种金属管接头自身惯性摩擦焊缝皆为30mm，焊接后通过不锈钢封头上的管嘴对铝钢异种金属管接头连接结构进行常温液压***检验，要求先将压力升至4MPa、保压10min无泄漏，继续加压直至破裂，***压力不低于6MPa。所述方法步骤如下：
(1)焊前准备
焊前对铝钢异种金属接头两端待焊接的5A06铝合金和304不锈钢焊缝开制钝边1mm、90°的V型坡口，然后机械打磨去除铝钢异种金属管接头不锈钢及铝合金封头焊接部位的氧化膜至金属光泽，并用工业酒精和丙酮清洗焊接部位的杂质和油污。
(2)安装冷却装置
在铝钢异种金属接头的表面均匀涂抹导热硅胶，将冷却装置安装包裹在其表面，启动冷却装置的循环水。
(3)焊接不锈钢端焊缝
装配铝钢异种金属管接头，让铝合金端处于自由状态，对不锈钢端环缝定位焊接6个点，同时利用工装支撑以固定铝钢异种金属管接头，而后对环缝进行分段正式焊接；定位焊以及正式焊接参数：纯He气体保护直流TIG焊方法、焊接电流35A，手动添加Φ1.6mm直径的304不锈钢焊丝，分段焊接每段焊缝长度60mm；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(4)焊接铝合金端焊缝
对铝合金端环缝定位焊接6个点，而后对环缝进行分段正式焊接，定位焊以及正式焊接参数：采用40％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法、焊接电流55A，手动添加Φ1.6mm直径的5A03铝合金焊丝，分段焊接每段焊缝长度50mm；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(5)结束焊接
待焊缝焊接完成后，关闭焊接电源，让循环水冷却装置继续工作一段时间，待检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度降到室温后方可停止冷却装置工作，拆卸冷却装置，将铝钢异种金属管接头表面的导热硅胶擦拭干净，完成焊接。
焊接完成后，利用不锈钢封头上的管嘴对铝钢异种金属管接头连接结构进行常温液压***检验，先将压力升至4Mpa、保压10min，采用皂泡法检测铝钢异种金属管接头自身惯性摩擦焊缝以及焊接的两端封头焊缝，无泄漏，继续加压直至破裂，***压力达到6MPa、破裂位置在铝合金封头焊缝，达到指标要求。
实施例2：
一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，采用所述方法对受约束状态铝钢异种金属密封罩的密封焊缝进行焊接：铝钢异种金属密封罩为T形结构，由2219铝合金和0Cr18Ni9不锈钢通过惯性摩擦焊接后机加而成，大端为2219铝合金、直径166mm，小端为0Cr18Ni9不锈钢、直径90mm，壁厚皆为2mm，在管路***中用作密封件，其铝合金端与同种材料的铝合金法兰焊接、不锈钢端与同种材料的不锈钢法兰焊接，焊接结构为2+2mm卷边端接，两条焊缝距铝钢异种金属密封罩自身惯性摩擦焊缝最短距离20mm，焊接后通过铝钢异种金属密封罩不锈钢端的管嘴对密封结构进行密封性能检验，在1个大气压下，常温抽真空氦质谱检漏，检漏时间不少于5min，要求漏率不大于6.7×10-7Pa·m3/s。所述方法步骤如下：
(1)焊前准备
机械打磨去除铝钢异种金属密封罩与不锈钢及铝合金法兰密封焊接部位的氧化膜至金属光泽，并用工业酒精和丙酮清洗焊接部位的杂质和油污。
(2)安装冷却装置
在铝钢异种金属密封罩的表面均匀涂抹导热硅胶，将冷却装置安装包裹在其表面，启动冷却装置的循环水。
(3)焊接不锈钢端焊缝
装配铝钢异种金属密封罩，让铝合金端处于自由状态，对不锈钢端密封焊缝定位焊接6个点，以固定铝钢异种金属管接头，而后对环缝进行分段正式焊接；定位焊以及正式焊接参数：纯He气体保护直流TIG焊方法、焊接电流25A，手动添加Φ1.6mm直径的H0Cr21Ni10不锈钢焊丝，分段焊接每段焊缝长度60mm；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属密封罩自身惯性摩擦焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(4)焊接铝合金端焊缝
对铝合金端密封焊缝定位焊接6个点，而后对环缝进行分段正式焊接，定位焊以及正式焊接参数：采用50％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法、焊接电流45A，手动添加Φ1.6mm直径的2325铝合金焊丝，分段焊接每段焊缝长度60mm；同时，采用热电偶实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝。
(5)结束焊接
待焊缝焊接完成后，关闭焊接电源，让循环水冷却装置继续工作一段时间，待检测铝钢异种金属密封罩自身焊缝的温度降到室温后方可停止冷却装置工作，拆卸冷却装置，将铝钢异种金属密封罩表面的导热硅胶擦拭干净，完成焊接。
焊接完成后，利用铝钢异种金属密封罩不锈钢端的管嘴对密封结构进行密封性能检验，在1个大气压下，常温抽真空氦质谱检漏，检漏时间5min，漏率仅10-10Pa·m3/s，达到指标要求。
为了进一步说明本发明方法的有益效果，针对实施例2相同结构的铝钢异种金属密封罩的密封结构，未采用本方法进行密封焊接，结果铝钢焊缝发生了开裂。
因此，利用本发明方法进行焊接不影响铝钢异种金属管接头自身焊缝性能，有效防止了铝钢焊缝开裂。
本发明方法包括但不限于实施例中的焊接结构和焊接材料，广泛适用于当前常用的对接、搭接、角接、端接等焊接结构，适用于当前常用的碳钢、不锈钢、合金钢与常用铝合金材料组成的铝钢异种金属管接头的装配焊接。

Claims (3)

1.一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、焊前准备：
焊前根据需要对工件开制焊接坡口，然后机械打磨去除焊接部位表面氧化膜至金属光泽，并用工业酒精和丙酮清洗去除杂质和油污；
步骤二、安装冷却装置：
在铝钢异种金属管接头的表面均匀涂抹导热硅胶，将冷却装置安装包裹在管接头表面，启动冷却装置的循环水；
步骤三、采用纯He气体保护直流TIG焊方法焊接不锈钢端焊缝：
(1)装配铝钢异种金属管接头，让铝合金端处于自由状态；
(2)采用纯He气体保护直流TIG焊方法对不锈钢端焊缝，先进行定位焊接，再进行正式焊接；所述定位焊接和正式焊接的焊接电流为25-35A，焊接过程采用分段焊接，每段焊缝长度不超过80mm；在焊接过程中实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝；
步骤四、采用40％-50％He+Ar混合气体保护交流TIG焊方法焊接铝合金端焊缝：先进行定位焊接、再进行正式焊接，焊接电流皆为45-55A；焊接过程采用分段焊接，每段焊缝长度不超过60mm；在焊接过程中实时检测铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度，超过150℃时停止焊接，待冷却到150℃以下才能焊接下一段焊缝；
步骤五、结束焊接：
待焊缝焊接完成后，关闭焊接电源，待铝钢异种金属管接头自身焊缝的温度降到室温后再关闭冷却装置的循环水、拆卸冷却装置，将铝钢异种金属管接头擦拭干净，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，其特征在于：在焊接过程中根据焊缝成形情况添加焊丝。
3.根据权利要求1所述的一种防止铝钢异种金属过渡管接头装焊开裂的方法，其特征在于：所述铝钢异种金属包括碳钢、不锈钢、合金钢与铝合金材料组成的铝钢异种金属。
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