CN103464915B - 一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法，根据铝合金管道的直径，加工出直径略大于管道直径的铝合金管道接头，在所述管道接头的两侧分别沿周向开若干槽型通孔，槽型通孔的槽孔中心线与管道接头的轴线垂直，相邻两槽型通孔之间的间距不小于所述每个槽型通孔的孔长度；再在所述管道接头的两端部内表面加工出50~60°的坡口；然后分别在上述端部以及槽型通孔处焊接，再对管道接头进行局部热处理，最后制备防腐涂料涂于管道接头处。本发明可以用于连接任意尺寸的不同直径的铝合金管道，操作实施简单，易于工业推广。

Description

一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体为一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法。

背景技术

随着人们对节能、环保、安全提出更高的要求，铝合金等轻质高强材料的应用获得广泛关注。铝是一种可再生资源，地壳中铝元素含量十分丰富，废弃的铝及铝材可回收重熔，既节能又减少污染。铝似乎成了一种“永不枯竭”的材料，至少可供人类使用相当长的时间。同时铝及铝材又是一种节能和储能材料，在安全和环保的条件下，铝的节能、储能功能远大于钢材和其它许多材料，所以铝材成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。轻量化可使飞机和宇航器飞得更高、更快、更远，可使导弹打得更快、更远、更准，可使电动汽车零污染高速行驶，可减少牵引力和节省大量资源，使运输工具既安全又准点。

铝及铝合金具有较高的比强度和导热性、良好的耐腐蚀性以及在低温下能保持良好的力学性能等特点，适应现代科技及高新工程发展的需要，成为宇航、化工、交通运输等工业重要的结构材料之一。随着焊接技术的进步，人们已经研制成多种能够满足各种特殊使用要求的铝合金焊接结构，如航天飞机、宇宙飞船、轻型汽车以及能导电、散热、耐腐蚀、耐超低温的各种铝合金焊接产品。

随着铝及铝合金的广泛应用，针对铝及铝合金的焊接技术也取得了长足的进步。除传统的熔化焊、气焊、电阻焊方法外，其他一些焊接方法(如等离子弧焊、真空电子束焊、真空钎焊、激光焊、搅拌摩擦焊、激光—电弧复合焊等)也可用于铝及其合金的焊接。钨极氩弧焊电弧燃烧稳定，焊缝质量好，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得了广泛的应用。

然而，铝及铝合金焊接时有如下困难和特点：

1、由于铝及铝合金的化学活泼性很强，采用传统焊接方法焊接时，在铝合金表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性(如三氧化二铝的熔点约为2050℃)，加之铝及铝合金导热性强，焊接时容易形成不熔合现象。由于氧化膜的密度同铝的密度极其相近，所以也易形成焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可以吸收较多水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。

2、此外，铝及其合金的线膨胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形，传统熔化焊焊缝使铝合金焊缝产生对性能有害的铸造组织，同时，接头热影响区产生的大范围软化将会大大降低其机械性能。

发明内容

本发明提供了一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法，其第一目的是提高管道接头与铝合金管道的焊接强度，其第二目的是改善管道接头与铝合金管道焊接处的软化问题，其第三目的是对管道接头提供防腐涂层。

本发明的技术方案如下：一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法，包括如下步骤：

（1）根据待连接的两铝合金管道的直径，加工出两端直径略大于管道直径的铝合金管道接头，在所述管道接头的两侧分别沿周向开若干槽型通孔，槽型通孔的槽孔中心线与管道接头的轴线垂直，相邻两槽型通孔之间的间距不小于所述每个槽型通孔的孔长度；再在所述管道接头的两端部内表面加工出50~60°的坡口；

（2）先用丙酮清除管道接头和铝合金管道端部表面、槽型通孔孔壁，槽型通孔与下板接合面等所有待焊区域的油污，然后再用砂纸机械打磨上述待焊区域，打磨露出金属光泽为止，最后用干净的棉纱擦拭干净；

（3）将管道接头的两端部分别与待焊接的铝合金管道端部搭接，确定适当的搭接距离，至少使得铝合金管道端部表面完全覆盖槽型通孔内侧；

（4）制备铝合金MIG焊焊缝熔深的活性剂，其活性剂由MnCl₂、V₂O₅、SiO₂、和Al₂O₃组成，按重量百分比计，其组分为：MnCl₂ 25-40%，V₂O₅ 10-15%，SiO₂ 30-40%，其余为Al₂O₃ ；

（5）先将按上述设计成分制备好的专用活性剂采用等离子喷涂于管道接头与铝合金管道搭接处，再采用熔化极惰性气体保护焊方法对搭接焊缝处焊接，具体工艺参数为：焊接电流180~200A，焊接速度700mm/min，焊枪倾角50°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min～16L/min；

（6）再采用手工钨级氩弧焊方法在管道接头的槽型通孔处施焊，选用ER5183铝焊丝，具体工艺参数为：工作参数为：焊接电流150~160A，焊接速度150mm/min，弧长3mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min～16L/min；直至填满所有槽型通孔；

（7）将焊接后的管道接头部分在氮气保护下加热至500~520℃，并且保温30~40min，然后放入冷水中淬火；

（8）再将管道接头部分加热至170~180℃，保持该温度范围3~4小时后自然冷却，全程处于氮气保护下；

（9）检查并清理所有焊缝，确保焊缝表面无气孔、裂纹、未焊透等缺陷；

（10）制备防腐涂料，将20重量份的甲基三乙氧基硅烷、5重量份的二甲基二乙氧基硅烷和1.5克十三氟辛基三甲氧基硅烷混合，磁力搅拌均匀后加入1重量份的氢氧化钠，在室温下搅拌反应16小时，将3.5重量份的水缓慢滴加到上述溶液中，加毕后，让其在室温下继续反应2小时，得到胶体溶液；将2重量份的纳米Al₂O₃和0.5重量份的TiO₂加入到10重量份的甲基乙二醇中，采用超声波分散，得到分散均匀的Al₂O₃和TiO₂分散液，将其加入到上述胶体溶液，室温下搅拌均匀得到防腐涂料；

（11）将上述防腐涂料均匀喷涂于管道接头的各焊接处。

优选地，所述管道接头的两侧分别沿周向开3个槽型通孔。

优选地，所述管道接头的两侧分别沿周向开4个槽型通孔。

优选地，所述管道接头的多个槽型通孔是等距的。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

首先，本发明在所述管道接头的两侧分别沿周向开若干槽型通孔，除了在管道接头与铝合金管道搭接焊缝外，还可以在槽型通孔处额外提供焊接，且增大搭接焊缝的有效承载面积，因而相比普通搭接焊大大提高了焊接强度。

其次，本发明在管道接头与铝合金管道搭接焊处采用活性剂熔化极惰性气体保护焊方法，通过大量实验选择适当的专有活性剂，活性剂基础材料的选择和成分的确定非常重要，在MIG焊焊接铝合金过程中能同时起到活性剂与形核剂作用。

然后，本发明在焊接后对管道接头尤其是焊接处热影响区进行热处理，先对管道接头加热至500~520℃一段时间后淬火，可以在合金元素含量较高的热影响区获得过饱和固溶体，再将管道接头部分加热至180℃并且长时间保温且空冷，使过饱和固溶体发生分解并且析出弥散相，从而进一步强化焊接处合金强度，有效改善焊接处热影响区的软化问题。

最后，由于焊接区合金含量较高且区别于铝合金管道和铝合金管道接头的其余部分，因而本发明在管道接头各焊接区再额外喷涂专有防腐涂料，从而对焊接区提供防锈防腐处理，进一步改善性能并且延长使用寿命。

本发明可以用于连接任意尺寸的不同直径的铝合金管道，操作实施简单，易于工业推广。

附图说明

图1为本发明的搭接的管道接头和铝合金管道位置截面示意图；

图2为图1的A向视图。

附图标记说明：

1——铝合金管道接头

2——第一铝合金管道

3——第二铝合金管道（不同直径）

4——槽型通孔

5——端部焊接区域

具体实施方式

下方结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例中，母材为φ208×4mm的铝合金管2024和φ226×4mm的铝合金管2024，通过以下步骤：

（1）根据两铝合金管的尺寸，加工出两端部直径与两铝合金管直径相适配的铝合金管道接头，在所述管道接头的两侧分别沿周向开3个等距的槽型通孔，槽型通孔的槽孔中心线与管道接头的轴线垂直，相邻两槽型通孔之间的间距不小于所述每个槽型通孔的孔长度；再在所述管道接头的两端部内表面加工出60°的坡口；

（2）先用丙酮清除管道接头和铝合金管道端部表面、槽型通孔孔壁，槽型通孔与下板接合面等所有待焊区域的油污，然后再用砂纸机械打磨上述待焊区域，打磨露出金属光泽为止，最后用干净的棉纱擦拭干净；

（3）将管道接头的两端部分别与待焊接的铝合金管道端部搭接，确定适当的搭接距离，至少使得铝合金管道端部表面完全覆盖槽型通孔内侧；

（4）制备铝合金MIG焊焊缝熔深的活性剂，其活性剂由MnCl₂、V₂O₅、SiO₂、和Al₂O₃组成，按重量百分比计，其组分为：MnCl₂ 40%，V₂O₅ 10%，SiO₂ 30%，其余为Al₂O₃ ；

（5）先将按上述设计成分制备好的专用活性剂采用等离子喷涂于管道接头与铝合金管道搭接处，再采用熔化极惰性气体保护焊方法对搭接焊缝处焊接，具体工艺参数为：焊接电流180A，焊接速度700mm/min，焊枪倾角50°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量16L/min；

（6）再采用手工钨级氩弧焊方法在管道接头的槽型通孔处施焊，选用ER5183铝焊丝，具体工艺参数为：工作参数为：焊接电流150A，焊接速度150mm/min，弧长3mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量16L/min；直至填满所有槽型通孔；

（7）将焊接后的管道接头部分在氮气保护下加热至520℃，并且保温30min，然后放入冷水中淬火；

（8）再将管道接头部分加热至170℃，保持该温度范围4小时后自然冷却，全程处于氮气保护下；

（9）检查并清理所有焊缝，确保焊缝表面无气孔、裂纹、未焊透等缺陷；

（10）制备防腐涂料，将20重量份的甲基三乙氧基硅烷、5重量份的二甲基二乙氧基硅烷和1.5克十三氟辛基三甲氧基硅烷混合，磁力搅拌均匀后加入1重量份的氢氧化钠，在室温下搅拌反应16小时，将3.5重量份的水缓慢滴加到上述溶液中，加毕后，让其在室温下继续反应2小时，得到胶体溶液；将2重量份的纳米Al₂O₃和0.5重量份的TiO₂加入到10重量份的甲基乙二醇中，采用超声波分散，得到分散均匀的Al₂O₃和TiO₂分散液，将其加入到上述胶体溶液，室温下搅拌均匀得到防腐涂料；

（11）将上述防腐涂料均匀喷涂于管道接头的各焊接处。

对采用以上焊接方法得到的样品进行性能测试，具体如下：

（1）对焊接处进行X射线检验：无裂纹、未焊透、未熔合等缺陷，无超标气孔，焊缝内在质量合格；

（2）焊接区拉伸性能检验：

在槽型通孔区域垂直焊缝方向截取拉伸试样，进行抗拉强度测试，测得试样抗拉强度为139MPa，大于母材标准规定的下限值；

取试样管材经过6.6倍母材厚度的弯芯直径，弯曲角度达到1800，未见裂纹，检验结果合格。

（3）焊接区硬度检验：

采用HVA-10A维氏硬度计对接头的硬度进行测量，硬度值分布均匀，平均值达到131HV，远大于未进行热处理的接头处及热影响区的硬度值（80~90 HV），说明经过局部热处理后大大改善了接头软化问题。

（4）管道接头耐腐蚀性检验：

按照 GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》中的规定，将管道接头腐蚀36小时后，通1.1Mpa氦气，经检测接头无泄漏情况，说明接头的抗腐蚀性能良好。

实施例2

本实施例中，母材为φ208×4mm的铝合金管2024和φ226×4mm的铝合金管2024，通过以下步骤：

（1）根据两铝合金管的尺寸，加工出两端部直径与两铝合金管直径相适配的铝合金管道接头，在所述管道接头的两侧分别沿周向开4个等距的槽型通孔，槽型通孔的槽孔中心线与管道接头的轴线垂直，相邻两槽型通孔之间的间距不小于所述每个槽型通孔的孔长度；再在所述管道接头的两端部内表面加工出50°的坡口；

（2）先用丙酮清除管道接头和铝合金管道端部表面、槽型通孔孔壁，槽型通孔与下板接合面等所有待焊区域的油污，然后再用砂纸机械打磨上述待焊区域，打磨露出金属光泽为止，最后用干净的棉纱擦拭干净；

（3）将管道接头的两端部分别与待焊接的铝合金管道端部搭接，确定适当的搭接距离，至少使得铝合金管道端部表面完全覆盖槽型通孔内侧；

（4）制备铝合金MIG焊焊缝熔深的活性剂，其活性剂由MnCl₂、V₂O₅、SiO₂、和Al₂O₃组成，按重量百分比计，其组分为：MnCl₂ 25%，V₂O₅ 15%，SiO₂ 40%，其余为Al₂O₃ ；

（5）先将按上述设计成分制备好的专用活性剂采用等离子喷涂于管道接头与铝合金管道搭接处，再采用熔化极惰性气体保护焊方法对搭接焊缝处焊接，具体工艺参数为：焊接电流200A，焊接速度700mm/min，焊枪倾角50°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min；

（6）再采用手工钨级氩弧焊方法在管道接头的槽型通孔处施焊，选用ER5183铝焊丝，具体工艺参数为：工作参数为：焊接电流160A，焊接速度150mm/min，弧长3mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是85°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min；直至填满所有槽型通孔；

（7）将焊接后的管道接头部分在氮气保护下加热至500℃，并且保温40min，然后放入冷水中淬火；

（8）再将管道接头部分加热至180℃，保持该温度范围3小时后自然冷却，全程处于氮气保护下；

（9）检查并清理所有焊缝，确保焊缝表面无气孔、裂纹、未焊透等缺陷；

（10）制备防腐涂料，将20重量份的甲基三乙氧基硅烷、5重量份的二甲基二乙氧基硅烷和1.5克十三氟辛基三甲氧基硅烷混合，磁力搅拌均匀后加入1重量份的氢氧化钠，在室温下搅拌反应16小时，将3.5重量份的水缓慢滴加到上述溶液中，加毕后，让其在室温下继续反应2小时，得到胶体溶液；将2重量份的纳米Al₂O₃和0.5重量份的TiO₂加入到10重量份的甲基乙二醇中，采用超声波分散，得到分散均匀的Al₂O₃和TiO₂分散液，将其加入到上述胶体溶液，室温下搅拌均匀得到防腐涂料；

（11）将上述防腐涂料均匀喷涂于管道接头的各焊接处。

对采用以上焊接方法得到的样品进行性能测试，具体如下：

（1）对焊接处进行X射线检验：无裂纹、未焊透、未熔合等缺陷，无超标气孔，焊缝内在质量合格；

（2）焊接区拉伸性能检验：

在槽型通孔区域垂直焊缝方向截取拉伸试样，进行抗拉强度测试，测得试样抗拉强度为136MPa，大于母材标准规定的下限值；

取试样管材经过6.6倍母材厚度的弯芯直径，弯曲角度达到1800，未见裂纹，检验结果合格。

（3）焊接区硬度检验：

采用HVA-10A维氏硬度计对接头的硬度进行测量，硬度值分布均匀，平均值达到131HV，远大于未进行热处理的接头处及热影响区的硬度值（80~90 HV），说明经过局部热处理后大大改善了接头软化问题。

（4）管道接头耐腐蚀性检验：

按照 GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》中的规定，将管道接头腐蚀48小时后，通1.1Mpa氦气，经检测接头无泄漏情况，说明接头的抗腐蚀性能良好。

       以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种不同直径铝合金管道的焊接连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据待连接的两铝合金管道的直径，加工出两端直径略大于管道直径的铝合金管道接头，在所述管道接头的两侧分别沿周向开若干槽型通孔，槽型通孔的槽孔中心线与管道接头的轴线垂直，相邻两槽型通孔之间的间距不小于所述每个槽型通孔的孔长度；再在所述管道接头的两端部内表面加工出50~60°的坡口；

（2）先用丙酮清除管道接头和铝合金管道端部表面、槽型通孔孔壁，槽型通孔与下板接合面等所有待焊区域的油污，然后再用砂纸机械打磨上述待焊区域，打磨露出金属光泽为止，最后用干净的棉纱擦拭干净；

（3）将管道接头的两端部分别与待焊接的铝合金管道端部搭接，确定适当的搭接距离，至少使得铝合金管道端部表面完全覆盖槽型通孔内侧；

（4）制备铝合金MIG焊焊缝熔深的活性剂，其活性剂由MnCl₂、V₂O₅、SiO₂、和Al₂O₃组成，按重量百分比计，其组分为：MnCl₂ 25-40%，V₂O₅ 10-15%，SiO₂ 30-40%，其余为Al₂O₃ ；

（5）先将按上述设计成分制备好的专用活性剂采用等离子喷涂于管道接头与铝合金管道搭接处，再采用熔化极惰性气体保护焊方法对搭接焊缝处焊接，具体工艺参数为：焊接电流180~200A，焊接速度700mm/min，焊枪倾角50°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min～16L/min；

（6）再采用手工钨级氩弧焊方法在管道接头的槽型通孔处施焊，选用ER5183铝焊丝，具体工艺参数为：工作参数为：焊接电流150~160A，焊接速度150mm/min，弧长3mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°，保护气体为纯度大于99.98%的氩气，氩气流量8L/min～16L/min；直至填满所有槽型通孔；

（7）将焊接后的管道接头部分在氮气保护下加热至500~520℃，并且保温30~40min，然后放入冷水中淬火；

（8）再将管道接头部分加热至170~180℃，保持该温度范围3~4小时后自然冷却，全程处于氮气保护下；

（9）检查并清理所有焊缝，确保焊缝表面无气孔、裂纹、未焊透缺陷；

（10）制备防腐涂料，将20重量份的甲基三乙氧基硅烷、5重量份的二甲基二乙氧基硅烷和1.5克十三氟辛基三甲氧基硅烷混合，磁力搅拌均匀后加入1重量份的氢氧化钠，在室温下搅拌反应16小时，将3.5重量份的水缓慢滴加到上述溶液中，加毕后，让其在室温下继续反应2小时，得到胶体溶液；将2重量份的纳米Al₂O₃和0.5重量份的TiO₂加入到10重量份的甲基乙二醇中，采用超声波分散，得到分散均匀的Al₂O₃和TiO₂分散液，将其加入到上述胶体溶液，室温下搅拌均匀得到防腐涂料；

（11）将上述防腐涂料均匀喷涂于管道接头的各焊接处。

2.根据权利要求1所述的不同直径铝合金管道的焊接连接方法，其特征在于，所述管道接头的两侧分别沿周向开3个槽型通孔。

3.根据权利要求1所述的不同直径铝合金管道的焊接连接方法，其特征在于，所述管道接头的两侧分别沿周向开4个槽型通孔。

4.根据权利要求1所述的不同直径铝合金管道的焊接连接方法，其特征在于，所述管道接头的多个槽型通孔是等距的。