0 前言

用鋁合金焊接管路產(chǎn)品,，為了增加鋁合金管路對位移的補償能力，需要在鋁合金管路產(chǎn)品中加入補償器組件,。最為常見的補償器組件是Cr-Ni不銹鋼波紋管,。這種波紋管采用了多層薄壁不銹鋼板鈑金壓制成型的加工方式[1]。波紋管屬于不銹鋼材質(zhì),，而導(dǎo)管為5A06鋁合金材質(zhì),，兩種金屬材料焊接的難度較大。目前焊接不銹鋼和鋁合金最為常用的焊接方法是釬焊[2-5]和擴(kuò)散焊[6-8],。由于鋁合金焊接導(dǎo)管產(chǎn)品空間范圍尺寸較大且形狀不規(guī)則,，考慮到加工工藝的難易程度及生產(chǎn)成本，實際生產(chǎn)過程中不采用整管釬焊或者擴(kuò)散焊的焊接工藝,。通常是通過釬焊的方式加工出不銹鋼和鋁合金焊接接頭,，然后通過接頭鋁端與鋁合金導(dǎo)管連接[9]，接頭鋼端與不銹鋼波紋管連接的方式將補償器組件加入到整個鋁合金導(dǎo)管中,。文中分別對鋁/鋼接頭鋼端和鋁端焊接結(jié)構(gòu)展開研究,，期望找到優(yōu)化的焊接結(jié)構(gòu)。

1 鋁/鋼接頭鋼端結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 優(yōu)化前鋼端接頭結(jié)構(gòu)形式

鋼端和波紋管直線端的接頭結(jié)構(gòu)形式采用搭接接頭形式,，焊接方式采用電阻滾焊,。鋼端的焊接接頭本質(zhì)是一種多層薄壁不銹鋼板的搭接接頭，如圖1所示,。采用這種焊接結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是搭接接頭通過電阻滾焊焊接方式直接連接,，電阻滾焊的整個過程中可以采用外部冷卻水進(jìn)行降溫,，焊接接頭的溫度不會高于100 ℃。釬焊接頭強度受溫度影響較大,，通過電阻滾焊的工作方式能夠有效的保護(hù)釬焊接頭,。但是，這種搭接接頭結(jié)構(gòu)形式有兩個缺點,，首先,，電阻滾焊接頭是一種搭接接頭，這種接頭形式的強度一般要低于弧焊的對接接頭,。此外補償器組件中的波紋管由兩層0.2 mm的不銹鋼板組成,，焊接接頭相當(dāng)于3層不銹鋼板搭接接頭，接頭強度依賴于各層之間的焊縫剝離強度,，焊縫破壞方式是母材從焊縫區(qū)剝離(圖2),。其次，電阻滾焊過程的穩(wěn)定性要低于氬弧焊,，對母材金屬表面狀態(tài)要求更高，一般而言電阻滾焊前,，母材金屬之間不能有大于0.5 mm凸起或凹陷,。電阻滾焊和電阻點焊一樣，表面金屬飛濺是其最主要的焊接缺陷,。金屬飛濺形成的主要原因是局部金屬過熱并氣化,，局部發(fā)生爆裂的液體金屬冷卻之后成為一種外形不規(guī)則的金屬表面缺陷。飛濺缺陷的外觀和金屬機械加工產(chǎn)生的金屬毛刺外觀類似,。當(dāng)飛濺缺陷存在波紋管外部,，可采用銼刀對飛濺進(jìn)行挫修。當(dāng)飛濺缺陷位于波紋管內(nèi)部時,，由于不在視線范圍內(nèi),，因此無法進(jìn)行挫修，而且脫落后會留在管內(nèi),，影響管內(nèi)介質(zhì)純凈度,如圖3所示,。

拓?fù)浞治龉δ苣K的應(yīng)用，主要是從地理信息管理模塊中提取有關(guān)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的信息,、資料,，根據(jù)線損管理系統(tǒng)的實際需要，通過分析,、處理將所得資料轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，同時將其備份、存儲至數(shù)據(jù)庫中,，從而為各功能模塊,、應(yīng)用軟件提供可靠數(shù)據(jù),。

圖1 優(yōu)化前的鋼端焊接接頭形式

圖2 多層薄壁不銹鋼板電阻滾焊剝離試驗

圖3 管內(nèi)焊接飛濺缺陷示意圖

1.2 優(yōu)化后鋼端接頭結(jié)構(gòu)形式

優(yōu)化后的鋼端采用TIG對接的焊接方式。波紋管端是兩層0.2 mm的薄壁不銹鋼板,，直接滾焊后的厚度只有0.4 mm,，0.4 mm薄板對接難度較大。文中在波紋管兩端增加寬度為10 mm,，厚度為0.4 mm的不銹鋼鋼帶,，采用電阻滾焊的方式將3層薄壁管滾焊成一條寬度為5 mm的焊縫。通過車銑加工的方式將波紋管端面車切至焊縫核心處,。此后,，按照波紋管兩端尺寸和鋼端進(jìn)行配車，保證0.8 mm的對接接頭形式,。然后通過手工TIG焊接工藝,，將鋁/鋼接頭鋼端和波紋管連接在一起，如圖4所示,。這種方式的優(yōu)點是采用穩(wěn)定性較好的TIG焊接工藝進(jìn)行連接,，不會產(chǎn)生類似飛濺的表面缺陷。但是TIG焊接熱輸入量要遠(yuǎn)高于電阻滾焊工藝,，焊縫區(qū)熱量會通過金屬傳導(dǎo)至釬焊部位,，引起釬焊部位溫度過熱，使得釬焊接頭強度降低,。為了避免釬焊接頭過熱,，文中采用在水中浸泡過的石棉繩對釬焊接頭進(jìn)行纏繞，通過水分蒸發(fā)將多余的熱量散發(fā)到空氣中,，從而控制釬焊部位溫度,。當(dāng)接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，鋼端焊接一次合格率有較大幅度提升,，搭接電阻滾焊焊接接頭合格率達(dá)到50%～60%,，電阻滾焊和TIG焊結(jié)合的焊接接頭合格率則超過90%。

注：此為(當(dāng)作“謂”)燕太子恨于秦王無窮,，猶如易水之聲也,。夫勇士者，懷須其智,，先立其功,，荊軻雖決裂之心，臨事因循,，豈不勞而無功者也,。[10]

圖4 優(yōu)化后的鋼端焊接接頭形式

2 鋁/鋼接頭鋁端結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 優(yōu)化前鋁端接頭形式

鋁合金接頭形式均采用圖5結(jié)構(gòu)，鋁端和鋁合金導(dǎo)管的內(nèi)外徑尺寸一致,，保證了鋁合金對接接頭的結(jié)構(gòu)形式,。中間部位設(shè)計了一個高度為5 mm,，寬度為12 mm，距離焊接端面10 mm的凸臺,。凸臺的作用是用于整個管路產(chǎn)品進(jìn)行液壓氣密試驗考核時,，對補償組件長度進(jìn)行限位。如果沒有凸臺,，整個管路在進(jìn)行載荷試驗時,，波紋管會被拉伸至變形，導(dǎo)致補償器組件破壞,。文中將φ144 mm,，φ125 mm，φ85 mm的類似結(jié)構(gòu)管路產(chǎn)品進(jìn)行試驗件焊接,，將產(chǎn)品的接頭進(jìn)行X射線探傷檢測,。探傷結(jié)果表明，所有的試驗件均產(chǎn)生裂紋,，裂紋位置都在靠近凸臺的焊縫熱影響區(qū)處,，并沿焊縫縱向分布。

發(fā)展全流程CCUS產(chǎn)業(yè),，要立足氣源與礦場應(yīng)用一體化降低氣源成本,，立足驅(qū)油與埋存一體化實現(xiàn)埋存和增產(chǎn)原油最大化。

通過焊接過程仿真技術(shù),，采用熱力耦合有限元算法，對鋁/鋼接頭鋁端焊接過程進(jìn)行仿真,。將溫度場的結(jié)果作為應(yīng)力場計算的載荷條件,，最終得到了鋁端的焊后殘余應(yīng)力分布情況。從圖5～6中可以看出,，凸臺結(jié)構(gòu)距離焊縫位置過近,，導(dǎo)致焊縫局部拘束過大，焊接殘余應(yīng)力集中于靠近凸臺一側(cè),，應(yīng)力峰值可達(dá)190 MPa,。這種局部高拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)使得焊縫熱影響區(qū)附近容易出現(xiàn)裂紋。

圖5 優(yōu)化前鋁/鋼接頭網(wǎng)格模型

圖6 焊接殘余應(yīng)力分布云圖

2.2 優(yōu)化后鋁端接頭形式

為了改變焊接殘余應(yīng)力分布,，將焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,，把凸臺向遠(yuǎn)離焊縫的方向移動10 mm，這樣凸臺距離焊縫端面從10 mm增加到20 mm,，如圖7所示,。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗發(fā)現(xiàn)，原先的應(yīng)力分布狀態(tài)隨著結(jié)構(gòu)改變而改善,。原先焊縫一側(cè)的殘余應(yīng)力峰值降低,。整個焊縫局部應(yīng)力分布梯度趨于平緩,，應(yīng)力范圍介于130～140 MPa之間，如圖8所示,。對φ144 mm,，φ125 mm，φ85 mm的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式的試驗件進(jìn)行焊接試驗,，通過X射線探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,。由此可知結(jié)構(gòu)局部剛度對焊接殘余應(yīng)力分布的影響很大，同時也是導(dǎo)致焊接裂紋缺陷產(chǎn)生的主要原因,。

圖7 鋁/鋼接頭鋁端結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖8 優(yōu)化后焊接殘余應(yīng)力分布云圖

2.3 改進(jìn)前后效果對比

圖9為鋁/鋼接頭改進(jìn)前后焊接情況對比圖,。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)釬焊接頭鋁端結(jié)構(gòu)能夠有效的降低結(jié)構(gòu)剛度，降低裂紋的產(chǎn)生,。圖9中左側(cè)是改進(jìn)后的接頭形式,，焊后通過X射線檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。圖9中右側(cè)是改進(jìn)前的接頭形式,，焊接后通過X射線檢測發(fā)現(xiàn),，靠近凸臺一側(cè)出現(xiàn)裂紋，這與圖6中的殘余應(yīng)力峰值區(qū)域的位置相同,。

圖9 試件焊接情況對比圖

3 結(jié)論

(1)波紋管端與釬焊接頭鋼端采用TIG對接的接頭形式要優(yōu)于搭接電阻滾焊的接頭形式,。一方面，電阻滾焊和TIG相結(jié)合的接頭結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)強度優(yōu)于搭接或搭接電阻滾焊接頭,。另一方面,，它的工藝穩(wěn)定性要優(yōu)于電阻滾焊，產(chǎn)品焊接合格率更高,，而且不存在管內(nèi)缺陷無法觀測和消除的問題,。

(2)鋁端的凸臺結(jié)構(gòu)應(yīng)與焊縫端面保持一定距離。凸臺結(jié)構(gòu)距離焊縫端面過近,，會使得局部剛度較大,，焊接殘余應(yīng)力集中在靠近凸臺一側(cè)，導(dǎo)致焊縫縱向裂紋產(chǎn)生,。建議凸臺距離焊縫端面20 mm以上,。

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