電加熱技術(shù)在鋁合金材料焊前預(yù)熱上的應(yīng)用

楊麗

青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東青島 266111

1 序言

鋁合金的表面極易氧化，產(chǎn)生氧化膜，膜內(nèi)有許多毛細(xì)孔隙。當(dāng)焊前環(huán)境的相對(duì)濕度或材料厚度較大時(shí)，氧化膜層增厚加快，吸潮和吸水性增強(qiáng)，導(dǎo)致工件焊接過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷[1]。焊前預(yù)熱、減緩散熱有利于減緩熔池冷卻速度，延長熔池存在時(shí)間，便于氫氣泡逸出，免除或減少焊縫氣孔。因此為保證焊接質(zhì)量，一般焊接之前要對(duì)焊接區(qū)域的母材進(jìn)行預(yù)熱，常用的預(yù)熱方法采用火焰加熱[2]。

在較大及較厚結(jié)構(gòu)工件焊接前，采用傳統(tǒng)的火焰加熱方式進(jìn)行預(yù)熱，需工人手持并不斷的移動(dòng)預(yù)熱焊槍，從而使工件達(dá)到預(yù)熱溫度，滿足焊接要求。此種方式大大增加了工人的工時(shí)，降低了工作效率。因此，對(duì)于大厚結(jié)構(gòu)工件的焊前預(yù)熱，如何提高工人的有效工作效率，加快工件的制造進(jìn)程，成為選取加熱方式的主要因素。

2 工件結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)時(shí)速250km動(dòng)車枕梁組成的焊前預(yù)熱進(jìn)行討論。其整體結(jié)構(gòu)采用兩根3m長擠壓成形的中空鋁型材進(jìn)行拼接，型材的材質(zhì)為6005A-T6，該種材質(zhì)的鋁合金為時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金，熱強(qiáng)度損失作用明顯，因此在熱作用下，可能出現(xiàn)強(qiáng)度下降、晶間開裂等問題，尤其材料在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)更容易出現(xiàn)該類問題。因此加熱溫度與加熱時(shí)間成為影響工件性能的重要因素。

如圖1所示，枕梁焊接組件的結(jié)構(gòu)尺寸（長寬高）為3000mm×800mm×243mm，重量為310.5kg。兩根型材拼接處的焊縫厚度為20mm，焊縫形式為20X（9V+11V）。采用MIG（惰性氣體保護(hù)焊）的方式進(jìn)行焊接，在焊接之前，需對(duì)工件的焊縫兩側(cè)各30~50mm寬度內(nèi)區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱。

圖1 時(shí)速250km動(dòng)車枕梁結(jié)構(gòu)

表1為本文中所采用的工件母材（一次正常時(shí)效）及二次加熱溫度/加熱時(shí)間的力學(xué)性能對(duì)比。

通過表1可以看到，工件加熱至120℃，加熱時(shí)間3h；150℃加熱時(shí)間5h，對(duì)母材的力學(xué)性能均沒有影響。因此根據(jù)工藝要求，本文中枕梁工件的焊前預(yù)熱溫度要求為100～120℃。

表1 時(shí)速250km動(dòng)車枕梁鋁型材力學(xué)性能對(duì)比

3 火焰加熱工藝

3.1 工藝介紹

傳統(tǒng)的火焰加熱方式為：將氧氣和乙炔氣體通過管路傳輸?shù)胶笜尩某鰵舛?，利用打火器在焊槍的出氣端將氣體點(diǎn)燃，產(chǎn)生火焰。工人手持焊槍將火焰直接放置到工件表面，對(duì)其進(jìn)行加熱，從而升高工件的溫度，達(dá)到焊前預(yù)熱的目的，如圖2所示。加熱要采用中性火焰，避免過多的氧氣導(dǎo)致鋁合金表面氧化膜變厚；同時(shí)采用集中性火苗，避免火苗過于分散使加熱時(shí)間變長。

圖2 火焰加熱方式示意

3.2 工藝過程

利用天車及吊具將完成組裝點(diǎn)固的枕梁吊放至焊接工作臺(tái)位上，工裝壓緊枕梁工件，對(duì)圖1所示的焊縫區(qū)域進(jìn)行焊前清理等輔助工作。點(diǎn)燃預(yù)熱焊槍，對(duì)枕梁工件進(jìn)行焊前預(yù)熱。

為保證預(yù)熱溫度，在預(yù)熱過程中需用接觸式測(cè)溫儀對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)量。接觸式測(cè)溫儀的儀器反應(yīng)需要一定時(shí)間，待溫度穩(wěn)定后再讀取數(shù)值。當(dāng)達(dá)到預(yù)熱溫度后，考慮焊槍撤離與正式焊接的時(shí)間間隔，在滿足母材力學(xué)性能強(qiáng)度的前提下需依據(jù)具體情況持續(xù)加熱一段時(shí)間，以確保正式焊接前預(yù)熱溫度滿足要求。

此間需注意氧乙炔氣瓶必須距離實(shí)際加熱的作業(yè)點(diǎn)足夠遠(yuǎn)（一般為5m以上），以免接觸火花、熱渣或火焰，否則必須提供耐火屏障[3]。

3.3 工藝特點(diǎn)

枕梁?jiǎn)胃筒牡慕孛娉叽纾ㄩL、寬、高）為3000mm×400mm×243mm，截面面積較大，散熱較快。利用火焰進(jìn)行預(yù)熱過程中，為達(dá)到焊縫的預(yù)熱溫度，保證良好的焊接質(zhì)量，不僅需對(duì)焊縫的周邊區(qū)域進(jìn)行加熱，而且需同時(shí)對(duì)工件的四周外表面進(jìn)行加熱，使工件整體升溫，以減緩焊縫區(qū)域的溫度降低速度。

在冬季、早春季節(jié)的1～3月，以及梅雨潮濕季節(jié)的5～7月，用火焰加熱工藝對(duì)此枕梁工件進(jìn)行焊前預(yù)熱，平均每個(gè)工件需占用工時(shí)為每人次1～1.5h。在正式焊接過程中，由于受熱不均勻，加之工件長度較長（3m），往往未焊接至中段位置，在焊縫收弧段的溫度已降低至預(yù)熱溫度以下，需再次對(duì)收弧段的焊縫區(qū)域進(jìn)行加熱。

以上加熱工藝過程較費(fèi)時(shí)，且需要工人持續(xù)不斷的關(guān)注工件焊前溫度：既不能溫度過低，對(duì)焊接質(zhì)量造成影響；同時(shí)又不能溫度過高，對(duì)母材強(qiáng)度造成影響。此種加熱過程使得工件制造成本升高。

4 電加熱工藝

4.1 工藝介紹

本文中介紹的電加熱方式為熱風(fēng)循環(huán)電烘干箱整體加熱的方式。其工作原理如圖3所示：風(fēng)源由循環(huán)送風(fēng)電動(dòng)機(jī)鼓動(dòng)風(fēng)輪經(jīng)由加熱器，形成熱風(fēng)，再經(jīng)由風(fēng)道送至烘箱轎廂內(nèi)，運(yùn)用后的空氣吸入風(fēng)道變成風(fēng)源再度加熱，循環(huán)運(yùn)用，保證轎廂內(nèi)溫度均勻。當(dāng)轎廂內(nèi)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，溫控儀輸出信號(hào)，切斷加熱運(yùn)行狀態(tài)，開始保溫計(jì)時(shí)，使擺放在烘箱內(nèi)的工件整體溫度與轎廂同溫，從而實(shí)現(xiàn)加熱工件的目的。

圖3 熱風(fēng)循環(huán)電烘干箱結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)因開關(guān)門動(dòng)作導(dǎo)致溫度值發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，送風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)，直至達(dá)到設(shè)定溫度值，然后進(jìn)行保溫。

為方便工件的吊入與吊出，需配備合適尺寸的運(yùn)輸車，在箱內(nèi)的底部設(shè)置凹槽軌道，使運(yùn)輸車能夠放置其中；在箱外配備軌道，使運(yùn)輸車可以沿軌道滑動(dòng)。作業(yè)時(shí)，工件放置在運(yùn)輸車上一并在轎廂內(nèi)進(jìn)行加熱，當(dāng)作業(yè)完畢，將運(yùn)輸車通過軌道滑動(dòng)至箱外，進(jìn)行工件的吊運(yùn)。

圖4 將工件放至運(yùn)輸車上推進(jìn)電烘箱

4.2 工藝過程

打開電烘干箱的箱門，將運(yùn)輸車從轎廂內(nèi)沿軌道拉出，利用天車及吊具將完成組裝點(diǎn)固的枕梁吊放至運(yùn)輸車上。將運(yùn)輸車攜帶工件一并推進(jìn)電烘箱的轎廂內(nèi)，并關(guān)上箱門，如圖4所示。啟動(dòng)電烘箱電源，在箱外的控制器上設(shè)定加熱溫度以及保溫時(shí)間。

完成加熱后，將工件吊放至焊接工作臺(tái)位上，進(jìn)行工裝壓緊及焊縫的焊前清理等輔助工作，正式焊接。注意：當(dāng)工件出箱時(shí)，由于轎廂內(nèi)溫度較高，在手動(dòng)拉出運(yùn)輸車時(shí)，注意佩戴隔熱安全手套，防止?fàn)C傷。

4.3 工藝特點(diǎn)

利用焊槍進(jìn)行火焰加熱，可通過接觸式測(cè)溫儀直接放置到工件表面，對(duì)工件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保工件的力學(xué)性能不受影響。

利用電加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱，由于中間過程不可監(jiān)控，為使工件在正式焊接前的溫度滿足預(yù)熱要求，同時(shí)更合理的安排制造工藝，從而降低制造成本，需針對(duì)此工件的結(jié)構(gòu)以及實(shí)施正式焊接作業(yè)的場(chǎng)地遠(yuǎn)近，制定合適的加熱溫度及保溫時(shí)間，確保工件的力學(xué)性能強(qiáng)度以及避免從完成加熱到正式施焊過程中造成的溫度損失而影響焊接。

當(dāng)電烘箱的轎廂內(nèi)尺寸為8 0 0 m m×1200mm×3200mm，加熱功率為36kW時(shí)，將預(yù)熱溫度設(shè)置為150℃，則相關(guān)加熱參數(shù)值見表2。

表2 電烘箱加熱參數(shù)試驗(yàn)記錄

將BL-3、BL-4的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在預(yù)熱溫度一定（150℃）的前提下，轎廂內(nèi)溫度越高，加熱時(shí)間越短，但通過保溫時(shí)間的調(diào)整，工件的出箱溫度基本相同，說明轎廂內(nèi)溫度與加熱時(shí)間不是影響工件焊前溫度的主要因素；只要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)狀況，將保溫時(shí)間、焊前停留時(shí)間做一個(gè)合適的配比，即能夠使工件的焊前溫度滿足工藝要求（100～120℃）。

另外，將轎廂內(nèi)溫度和加熱時(shí)間進(jìn)行縱向?qū)Ρ纫姳?。

可以看出：當(dāng)本文中所示的枕梁工件在轎廂內(nèi)進(jìn)行加熱時(shí)，轎廂內(nèi)的溫度平均每分鐘上升1.8℃。

將BL-2～BL-5的出箱溫度、焊前停留時(shí)間及焊前溫度進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，見?。

可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度為28℃時(shí)，工件在空氣中的溫度平均每分鐘下降2.27℃。

電加熱工藝過程由于采用設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)加熱及電子監(jiān)控溫度，此間不占用工人的大量工時(shí)，僅需進(jìn)行工件的吊上、吊下工作，平均每個(gè)工件占用工時(shí)1人次為10~20min，大大提高了工人的有效工作效率，以及降低了工件的制造成本；同時(shí)節(jié)省了工件正式焊接臺(tái)位的占用時(shí)間，使得工件正式焊接臺(tái)位的利用率大大提高。

表3 轎廂內(nèi)溫度上升與時(shí)間的對(duì)比

表4 工件溫度下降與停留時(shí)間的對(duì)比

5 結(jié)束語

1）可以利用整體烘箱式電加熱的方式對(duì)鋁合金焊接件進(jìn)行焊前預(yù)熱。

2）相較傳統(tǒng)的火焰加熱工藝，電加熱工藝節(jié)省了工人的工時(shí)，節(jié)省了工件正式焊接的臺(tái)位占用時(shí)間，從而降低了工件的制造成本。

3）當(dāng)采用電烘箱對(duì)工件進(jìn)行整體加熱時(shí)，需在設(shè)置一定的加熱溫度后，根據(jù)環(huán)境溫度以及焊前停留時(shí)間的不同，對(duì)工件在烘箱內(nèi)的保溫時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使工件的焊前溫度滿足焊接工藝要求。

4）當(dāng)本文中所示的枕梁工件在轎廂內(nèi)進(jìn)行加熱時(shí)，轎廂內(nèi)的溫度上升平均為1.8℃/min；當(dāng)環(huán)境溫度為28℃時(shí)，工件在空氣中的溫度下降平均2.27℃/min。