一、概述
首鋼制氧廠從西德林德公司購(gòu)入的3萬(wàn)m。的制氧機(jī)組全套設(shè)備總重量約2200t，80多萬(wàn)件。僅鋁合金管道就有11種之多，其空分裝置冷箱內(nèi)的鋁合金管道材質(zhì)等級(jí)為K級(jí)，設(shè)計(jì)溫度為-195～150℃，管道從φ25mm到φ100mm共98條管線，長(zhǎng)度累計(jì)3470多m，僅管道接頭多達(dá)：3200多個(gè)。
1.物理性能
鋁及其合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)而熱容量大，線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生較大的焊接變形和內(nèi)應(yīng)力。另外，鋁及其合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，并無(wú)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(lái)了很大困難。同時(shí)高溫時(shí)鋁及其合金的強(qiáng)度小，�？善茐暮缚p金屬的成形，易造成焊縫金屬塌落和燒穿。
2.化學(xué)性質(zhì)
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(huì)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(huì)吸附大量水分而促使焊縫產(chǎn)生氣孔。
由此不難看出此次安裝施工難度大，焊接質(zhì)量要求高，所以我們要求所有參加的焊工必須進(jìn)行崗前培訓(xùn)，經(jīng)考試合格，德國(guó)專家認(rèn)可，方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接操作。雖然已經(jīng)預(yù)先完成了各項(xiàng)相關(guān)的工藝評(píng)定，但是現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際組焊工作要比試樣什的工藝評(píng)定更復(fù)雜、更艱難。
二、精餾空氣塔的現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)
制氧機(jī)組的心臟設(shè)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(wèn)的環(huán)縫需要現(xiàn)場(chǎng)拼裝后焊接。為確保焊接質(zhì)量，施焊前進(jìn)行了焊接性分析和各項(xiàng)相關(guān)的焊接工藝評(píng)定工作，制定了相應(yīng)的焊接參數(shù)。
1.焊接參數(shù)的選擇
根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)的結(jié)果，我們進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)的工藝參數(shù)選擇范圍匯總(見(jiàn)下表)。
在實(shí)際焊接時(shí)，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(shí)的保護(hù)氣，并根據(jù)焊件厚度和實(shí)際焊接時(shí)的具體情況來(lái)確定焊接電流的大小，通過(guò)試焊操作進(jìn)行試板模擬，并觀察電弧情況來(lái)判斷電流是否合適(如圖1所示)。
焊接電流正常時(shí)鎢極端部呈熔融狀的半球形(見(jiàn)圖1a)，此時(shí)電弧最穩(wěn)定，焊縫成形良好；焊接電流過(guò)小，鎢極端部電弧單邊(見(jiàn)圖1b)，此時(shí)電弧易飄動(dòng)；焊接電流過(guò)大時(shí)，易使鎢極端部發(fā)熱(見(jiàn)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(wěn)定，焊接質(zhì)量差。只有調(diào)整好工藝參數(shù)，確認(rèn)無(wú)表面缺陷后，才能夠進(jìn)行正式的焊接操作。
2.精餾塔焊縫位置及形式
由于制氧設(shè)備屬于大型超限設(shè)備，需要分節(jié)運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝和組焊。其中精餾塔低壓塔(上塔)高18.68m，內(nèi)徑3.85m，壁厚8mm，與壓力塔(下塔)接口端部以20mm，的加固形成過(guò)渡；壓力塔(下塔)高7.9m，內(nèi)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(nèi)進(jìn)行，焊縫標(biāo)高21.84m，成形焊縫長(zhǎng) 12.23m，焊縫總量為61.15m，對(duì)于精餾塔塔段之間的環(huán)縫我們按照要求采用交流氬弧焊雙人雙面對(duì)稱焊技術(shù)，拼接焊縫的位置及形式見(jiàn)圖2。
三、現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)措施及操作要點(diǎn)
1.焊前清理
我們使用風(fēng)動(dòng)銑刀在焊縫兩側(cè)(包括坡口、管道里)嚴(yán)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(fēng)動(dòng)砂輪按規(guī)范要求進(jìn)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(guò)渡，才能進(jìn)行焊接。
2.施工條件
鋁合金管道的焊接分成箱外預(yù)制、箱內(nèi)安裝兩個(gè)階段進(jìn)行。預(yù)制不加襯環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)加復(fù)合襯環(huán)，對(duì)焊襯環(huán)要插入管道內(nèi)部，搭接處的角焊點(diǎn)不小于6個(gè)點(diǎn)。
固定口仰位焊接的技術(shù)要求高，保證一次到位，噴嘴與根部距離保持6～8mm。進(jìn)行箱外預(yù)制口轉(zhuǎn)動(dòng)焊時(shí)，每一道焊縫的起弧、收尾，都是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。若起弧時(shí)工件溫度低，就不易焊透，易產(chǎn)生未熔合；如果預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，熔池就不容易觀察，常會(huì)因溫度過(guò)高而產(chǎn)生弧坑縮孔，所以引弧前5～10s要提前送氣；預(yù)熱時(shí)不斷地用焊絲輕輕觸動(dòng)熔池表面，觀察溫度變化和熔化狀況，并及時(shí)將焊絲向前移動(dòng)；收弧時(shí)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(shí)保護(hù)，防止缺陷產(chǎn)生。
3.采取的措施
由于精餾空分塔上下塔連接環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量要求相當(dāng)嚴(yán)格，焊縫必須一次焊接成功，在嚴(yán)格制定焊接工藝、精心組織現(xiàn)場(chǎng)施工的同時(shí)，還采取了如下措施：
(1)采用雙人雙面對(duì)稱焊技術(shù)，每?jī)扇艘唤M，里外面對(duì)應(yīng)同步快速焊接，中間停留時(shí)間盡可能短。將8名焊工分4組，里外各4人，要求連續(xù)工作一次焊完一遍。
(2)選擇完好的同型焊接設(shè)備，性能一致，電流調(diào)節(jié)靈敏，起弧快，有利于焊接達(dá)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(zhì)潔凈(在入口截門處設(shè)置過(guò)濾網(wǎng))保證焊槍水路不堵塞嚴(yán)防燒槍。
(4)保證氬氣質(zhì)量(純度不低于99.99％)和流量，將氣帶縮短，將氣體流量按規(guī)范調(diào)至18L/min。
(5)同時(shí)還在上下塔的焊縫兩邊100mm處做標(biāo)記，隨時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化而迅速做出相應(yīng)的調(diào)整。
(6)在第一遍開(kāi)始焊接前，利用氧乙炔焰進(jìn)行100～150℃的預(yù)熱，同時(shí)安裝加固圈，作為臨時(shí)支撐。
(7) 上下塔成形組拼時(shí)，是要進(jìn)行定位焊的。定位焊的工藝參數(shù)與正式焊接相同。每隔350～400mm一個(gè)固定焊點(diǎn)，焊點(diǎn)長(zhǎng)60～80mm，焊肉高4～5mm，我們從東開(kāi)始焊，雙人雙面對(duì)稱焊，自然冷卻后，測(cè)量塔的垂直度時(shí)卻發(fā)現(xiàn)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(kāi)始起焊(如圖3所示)。在施焊中注意隨時(shí)徹底清理焊點(diǎn)，并重新用砂輪加工坡口，再次調(diào)整間隙，直到焊接完成。焊縫冷卻后，再一次測(cè)量垂直度，偏差基本達(dá)標(biāo)。我們這次就是利用了鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)大，易變形的特點(diǎn)來(lái)調(diào)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?qū)ΨQ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(zhì)量檢驗(yàn)
根據(jù)西德制造廠家的要求，在上、下塔成形對(duì)接焊縫完成以后，經(jīng)過(guò)外觀檢驗(yàn)、經(jīng)x射線探傷，全部焊縫達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，獲得了滿意的焊接質(zhì)量，保證了該制氧機(jī)組的按時(shí)投產(chǎn)使用。
