鋁合金焊接管道X 射線探傷工藝改進研究

魏兆中

(開封大學，河南 開封 475004)

0 引言

在空分設(shè)備中，鋁合金材料是一種較常用的工藝材料。 鋁材的導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)分別為鋼的2 倍和4 倍，焊縫凝固時體積收縮率達6.6%[1]，加上高溫強度低、塑性差，導致鋁焊縫在焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、夾雜和氣孔等缺陷。 鋁合金材料本身的特點以及空分裝置生產(chǎn)工藝的特殊性，決定了鋁合金管道的脫脂加工、組裝、焊接，探傷等工藝和要求都與一般碳鋼材料有所不同。

目前，國內(nèi)空分設(shè)備中常用的鋁合金管道主要采用國產(chǎn)LF 系列鋁合金，有彎頭類、直管類，而且用得最多的是直管類。 管道縱向?qū)雍缚p普遍采用單面手工氬弧焊雙面成形技術(shù)，開封地區(qū)主要采用縱焊縫雙人雙面同步氬弧焊技術(shù)。 雙人雙面同步氬弧焊技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、焊縫成形好、焊接缺陷少的優(yōu)點。 筆者在開封空分集團從事無損探傷工作期間，接觸到大量鋁合金焊接管道的射線照相檢驗。為保證檢驗靈敏度和缺陷檢出率，同時提高生產(chǎn)效率，對鋁合金管道焊縫的射線探傷工藝進行了一些試驗研究。

1 鋁合金管道焊縫常見缺陷分析

鋁合金直管類管道一般壁厚為6 mm 或8 mm，管徑為200～250 mm 不等，長度多為1500 mm。 由于采用雙面同步施焊，故不開破口，留有2～3 mm 間隙，具體的焊縫結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 雙面同步施焊的鋁合金管道焊縫常出現(xiàn)氣孔、夾渣（JB4730-2005 稱為圓形缺陷、條形缺陷）、未焊透、未熔合、裂紋、夾銅等焊接缺陷[2]。

圖1 鋁合金管道縱焊縫結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Aluminum alloy pipeline vertical welding structure

1.1 氣孔

氣孔是鋁合金管道焊縫最常見的缺陷。 這是由于鋁合金焊接時，氧化鋁薄膜容易吸附較多的水分，促使焊縫生成氣孔。 同時，鋁在液態(tài)時能大量吸收和溶解氫（在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069 ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g, 前后相差近20倍），由于鋁的導熱系數(shù)很大，金屬結(jié)晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時析出大量過飽和氣體，來不及析出的氫氣在焊縫金屬中形成氣孔。 平焊時產(chǎn)生氣孔較多，但雙面同步施焊是采用立焊的操作方式，故氣孔較少。

氣孔在底片上的影像是黑色圓點，也有的是黑線（線狀氣孔）或其他不規(guī)則形狀，其輪廓比較圓滑，黑度中心較大，至邊緣稍減小。 氣孔可發(fā)生在焊縫的任何部位，例如，單面焊根部線狀氣孔、雙面焊根部鏈狀氣孔、焊縫中心線兩側(cè)蟲狀氣孔是發(fā)生部位與氣孔形狀有規(guī)律對應(yīng)的典型例子。

1.2 夾渣

由于鋁和氧的親和力很強，在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 um 致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對自然防腐有利，但它也給焊接帶來了困難。這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右)，比重約為鋁的1.4 倍，在焊接過程中，會阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣。 夾渣多出現(xiàn)在焊縫中心部位，呈細小顆粒狀，有時連成一線。

1.3 未焊透

未焊透即焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象，按坡口形式可分為單面焊未焊透和雙面焊根部未焊透。 未焊透的原因是焊接參數(shù)選擇不當，如焊接電流太小、運條速度太快、焊條角度不當或電弧發(fā)生偏吹以及坡口角度或?qū)娱g隙太小等。

未焊透在X 射線底片上呈連續(xù)或斷續(xù)的較規(guī)則的黑線。 由于未焊透形成的部位不一致，或其間伴有夾渣、氣孔，黑度變化可能深淺不一。對于單面焊，未焊透都分布于焊縫根部，雙面焊則于中間交接處。 由于接頭母材的加工面未被完全熔透，因此缺陷邊界清晰。

1.4 未熔合

未熔合缺陷多屬焊接時氧化膜或銹未清除干凈、熱輸入不足、操作技術(shù)不當所致，在X 射線底片上常模糊不清。 只有當射線透照方向垂直于未熔合面時，才有較深的黑化度，顏色深淺較均勻。 層間未熔合多出現(xiàn)在厚板多層焊的焊縫中，其特征與片狀夾渣相近。 邊緣未熔合在正常照相底片上位于焊縫寬度約1/3 處，多呈月牙形，外邊平直，內(nèi)側(cè)呈弧形，黑度逐漸變淺。當沿坡口方向透照時，未熔合處呈黑色條紋，分布于焊縫與母材交界處，較易發(fā)現(xiàn)。

1.5 裂紋

在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的不同，焊接接頭中可能出現(xiàn)各種裂紋，其形態(tài)和分布特征都很復雜。 根據(jù)裂紋產(chǎn)生的部位，可分為焊縫金屬中的裂紋（包括縱向裂紋、 橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋）和熱影響區(qū)的裂紋（包括焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋）兩種形式。 底片上裂紋的典型影像是輪廓分明的黑線，通常情況下黑線有微小的鋸齒、分叉，粗細和黑度有變化，線的端部尖細，端頭前方有絲狀陰影延伸。

1.6 夾銅

夾銅缺陷主要在焊縫表面， 是因操作失誤引起的。 在X 射線底片上多呈圓點、線性，比較容易發(fā)現(xiàn)。

2 鋁合金管道焊縫射線探傷方法

根據(jù)JB/T4730-2005 的規(guī)定：對直徑200 mm及以上管子，接縱焊縫采用單壁單投影透照。 由于單根管道探傷效率低，現(xiàn)在改為多根管道同步探傷。以下以厚8 mm 的鋁管為例，對該方案進行探討。

2.1 透照參數(shù)的選擇

透照參數(shù)的選擇如表1 所示。

表1 射線機及其透照參數(shù)表Table 1 Ray machine and transillumination parameters

2.2 透照方式

采用單根管道透照時，焦距1200 mm，可以1 次拍攝2 張，背面用托板支撐，如圖2 所示。

圖2 單根管道透照時底片固定Fig.2 Fixed negative of single pipeline transillumination

此時，透照厚度比：K＝δ'/δ=1200/(1200-8)=1.007，遠小于JB/4730.2-2005 要求（縱縫A 級、AB 級K 值不大于1.03），符合國家要求。 根據(jù)幾何不清晰度公式Ug=T*d/(F-b)，隨著焦距F 的增大，Ug愈來愈小，即缺陷圖像更加清晰。

在實施5 個管道同時透照時，需要按照圖3 所示，預(yù)先制作管道專用透照支撐模具（木質(zhì)），并在管道中心與射線源焦點的直線上， 刻出每個位置的旋轉(zhuǎn)指示，以方便固定管道。 由于丹東XXG-1005 機器在40°輻射范圍內(nèi)，可視為等強度放射，故應(yīng)充分利用射線范圍，實現(xiàn)最大的透照范圍，減少射線的浪費。 當焦距為1 200 mm 時，沿圓弧方向可以擺放5根管道進行拍照（如圖3 所示）。

2.3 底片質(zhì)量

經(jīng)過上述固定條件的沖洗處理，底片上焊縫黑度為2.0～2.8，母材黑度為2.5～3.8，像質(zhì)計可清晰讀出14#，完全符合JB/T4730-2005 的要求。

3 結(jié)語

圖3 5 根管道同時透照方式Fig.3 Way of five pipeline's transillumination at the same time

采用5 根管道同時透照，不但可以拍出理想的底片，而且一次開機可以拍照10 張底片，不僅提高了工作效率，更重要的是大大減少曝光量，從而減少對環(huán)境的影響。 如果有條件使用周向機，效率將進一步提高。

[1] 張兵.冷箱中鋁合金管道的焊接及無損檢測[J].石油化工設(shè)備，2003（3）：44-45.

[2] 陳軍.鋁合金管道對接焊縫的射線探傷[J].無損檢測，1998（12）：350-351.