鋁鎂合金5A06管道焊接工藝試驗(yàn)研究

羅曉軍，呂仲光，何世軍，周光河，童愛(ài)群

中國(guó)石油第二建設(shè)有限公司，甘肅蘭州 730060

鋁鎂合金具有密度小、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好、耐氧化、耐腐蝕和耐低溫性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)高抗氧化性和抗腐蝕性要求的設(shè)備和管道中。

某化工裝置部分工藝管道采用了鋁鎂合金5A06，在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定前，先查閱了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)關(guān)于鋁鎂合金5A06焊接的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)采用TIG焊和MIG焊后，均出現(xiàn)了拉伸強(qiáng)度低于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值的問(wèn)題，僅有MIG焊的焊接接頭符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但在實(shí)際的煉化裝置施工過(guò)程中主要采用TIG焊，MIG焊主要用于航空、航天領(lǐng)域。針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了鋁鎂合金5A06 TIG焊接工藝試驗(yàn)研究，并得到了符合NB/T 47014—2011[1]評(píng)定要求的合格TIG焊焊接工藝。本文針對(duì)鋁鎂合金5A06進(jìn)行TIG焊的焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)行闡述。

1 試驗(yàn)材料

1.1 鋁鎂合金5A06管材

鋁鎂合金5A06屬Al-Mg系非熱處理強(qiáng)化變形鋁合金，是一種耐腐蝕性好的鋁鎂合金，又稱防銹鋁，具有比重小、疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有抗氧化、導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)RYMN大，焊接易出現(xiàn)夾渣、未融合、焊接變形、氣孔等缺陷的特點(diǎn)。

本次試驗(yàn)材料選用D80 mm×5 mm鋁鎂合金5A06管材，其母材化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 5A06中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2 5A06的力學(xué)性能

1.2 焊接材料

根據(jù)NB/T47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[2]第5章推薦，鋁鎂合金5A06焊接可采用Mn和Mg含量較高的ER5556焊絲，亦可采用ER5183、ER5356焊絲。在咨詢多家焊材供應(yīng)商后，得知目前市場(chǎng)上只能采購(gòu)到ER5356焊絲，且參考文獻(xiàn)中提到的焊接材料也全部采用ER5356焊絲。因此，選用φ2.4 mm的ER5356焊絲為本次試驗(yàn)焊材。

由于ER5356焊絲的Mn和Mg含量均低于母材，為保證焊縫金屬的力學(xué)性能和耐腐蝕性，決定采用母材5A06加工制成φ3.5 mm焊絲，作為本次試驗(yàn)的第二種焊材進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

ER5556、ER5356焊絲及5A06母材焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 焊接材料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試件尺寸與坡口型式

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的要求進(jìn)行試件加工，試件采用V型坡口。

2.2 焊接方法及設(shè)備

本次試驗(yàn)采用TIG焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)，焊接設(shè)備采用松下YC-500WX4型交直流脈沖氬弧焊機(jī)，選用φ2.4 mm鈰鎢極，鎢極伸出噴嘴長(zhǎng)度為7.0～9.0 mm，噴嘴直徑為10 mm。保護(hù)氣為高純氬氣，純度≥99.99%，且含水量≤50 mg/m3。

2.3 試件清理

根據(jù)鋁鎂合金的焊接特點(diǎn)，焊前可采用機(jī)械法或化學(xué)法對(duì)坡口及其兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)區(qū)域嚴(yán)格進(jìn)行表面清理，去除水分、塵土、金屬屑、油污、氧化膜、含氫物質(zhì)等。為確保焊接質(zhì)量，本次采用硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼進(jìn)行坡口清理，同時(shí)清理后的焊件應(yīng)在8 h內(nèi)施焊完畢，否則應(yīng)重新清理。焊絲在使用前也需仔細(xì)清理其表面的油污和雜質(zhì)。

2.4 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)資料、規(guī)范及焊接經(jīng)驗(yàn)，確定焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

2.5 焊接試驗(yàn)分組

根據(jù) NB/T 47014—2011第6.4.1.5.4條要求：“5A06試件抗拉強(qiáng)度的合格指標(biāo)為母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低值等于其退火狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度下限值”。查閱GB/T 4437.1—2000得知，交貨狀態(tài)為硬度H112的5A06管材最低抗拉強(qiáng)度應(yīng)為315 MPa，即試件的拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度不得低于315 MPa。

有研究表明[4-6]，鋁鎂合金5A06采用TIG或MIG焊接方法得到的焊縫強(qiáng)度僅為母材的50%～90%，完全達(dá)不到母材最低抗拉強(qiáng)度為315 MPa的要求。

250～275 ℃為鋁鎂合金5A06硬度發(fā)生突變的溫度區(qū)間，此時(shí)合金內(nèi)部幾乎所有位錯(cuò)都獲得足夠能量而發(fā)生移動(dòng)，脫離了第二相粒子釘扎和高密度位錯(cuò)的相互纏結(jié)，使合金畸變狀態(tài)迅速消失。275℃時(shí)合金已發(fā)生完全再結(jié)晶，合金中的拉長(zhǎng)晶粒已被無(wú)畸變的等軸晶粒所取代，合金內(nèi)部由高密度位錯(cuò)和晶粒變形造成的儲(chǔ)能已基本消除，合金硬度顯著下降。高于275℃時(shí)，由于合金內(nèi)部已基本沒(méi)有殘留儲(chǔ)能，同時(shí)在冷卻過(guò)程中再析出的細(xì)小而彌散的β相（Mg5Al8） 均勻地分布于α基體上，細(xì)小而致密的β相有利于提高合金性能（此種現(xiàn)象為彌散強(qiáng)化）。因此焊后退火會(huì)顯著影響合金位錯(cuò)密度、再結(jié)晶晶粒數(shù)量并消除晶格畸變，而位錯(cuò)密度和再結(jié)晶晶粒的數(shù)量均為影響鋁鎂合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。查閱文獻(xiàn)[1]得到鋁鎂合金5A06退火溫度為310～330℃。

經(jīng)過(guò)以上分析，討論確定進(jìn)行5組共15個(gè)試件的焊接試驗(yàn)，分組情況見(jiàn)表5。

表5 焊接試驗(yàn)分組

2.6 試件焊接成型圖

采用兩種焊材并按照表4的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，試件表面成型見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 試件表面成型 （ER5356焊絲）

圖2 試件表面成型（5A06母材焊絲）

從圖1和圖2可以看到，采用成品焊絲ER5356和5A06母材焊絲焊接完成的試件焊縫內(nèi)外表面成型較好，表面寬度均勻，波紋均勻、細(xì)密，余高均勻一致，成型美觀，未出現(xiàn)咬邊、未熔合、焊瘤、焊穿、塌陷等缺陷。

3 性能檢測(cè)

3.1 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)5組試件按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》（2018年修改版）進(jìn)行100% RT檢測(cè)，45張X光片檢測(cè)結(jié)果全部為合格，且底片評(píng)定結(jié)果全部為I級(jí)片。

3.2 拉伸試驗(yàn)

在5組試件中每組取2個(gè)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 試件焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）同等試驗(yàn)條件下，采用ER5356成品焊絲焊接試件的抗拉強(qiáng)度低于采用母材5A06焊絲焊接試件的抗拉強(qiáng)度。

（2）同等試驗(yàn)條件下，焊后不進(jìn)行退火熱處理試件的抗拉強(qiáng)度低于焊后進(jìn)行310～330℃退火熱處理試件的抗拉強(qiáng)度。

（3）用母材5A06焊絲焊接的試件，焊絲不退火焊接試件的抗拉強(qiáng)度低于采用焊前退火焊絲進(jìn)行焊接試件的抗拉強(qiáng)度。

（4）采用母材5A06焊絲焊接的試件，經(jīng)焊后退火的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度≥315 MPa，符合NB/T47014—2011的規(guī)定。

從表1～3對(duì)比ER5556焊絲和ER5356焊絲的化學(xué)成分可知，ER5556中Mn和Mg的含量比ER5356高，且更接近母材。Mn在合金中的作用是使含Mg相沉淀均勻，提高合金的抗腐蝕性及強(qiáng)度，且確保合金的穩(wěn)定性；Mg可顯著提高合金強(qiáng)度同時(shí)保證材料塑性不過(guò)分降低。由于ER5356焊絲化學(xué)成分中的Mg、Mn含量與母材相差較大，導(dǎo)致焊接試件的抗拉強(qiáng)度低于用母材焊絲焊接試件的抗拉強(qiáng)度。

此次試驗(yàn)中用母材5A06焊絲焊接的試件，經(jīng)焊后退火后其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了要求，這也進(jìn)一步證明試驗(yàn)方案是科學(xué)合理的。

3.3 彎曲試驗(yàn)

對(duì)5組試件的每組取4個(gè)試樣分別進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)，全部合格。

4 試驗(yàn)遺留問(wèn)題

NB/T47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》的第5章推薦，鋁鎂合金5A06焊接的最匹配焊材為ER5556焊絲，其次為ER5356，但由于市場(chǎng)采購(gòu)不到此種焊材，因此本次試驗(yàn)選用了可采購(gòu)到的ER5356焊絲和由母材5A06加工而成的焊絲。從本次試驗(yàn)以及焊絲ER5556的化學(xué)成分看，ER5556的化學(xué)成分更接近母材，但采用ER5556焊絲進(jìn)行焊接是否會(huì)出現(xiàn)試件抗拉強(qiáng)度低于母材的問(wèn)題還無(wú)法預(yù)知，若今后有機(jī)會(huì)采購(gòu)到ER5556焊絲后再進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以供同行參考借鑒。

5 結(jié)論

（1）由于ER5356焊絲化學(xué)成分中的Mg、Mn含量與母材相差較大，導(dǎo)致焊接試件的抗拉強(qiáng)度低于采用母材加工的焊絲焊接的試件。

（2）采用TIG焊進(jìn)行鋁鎂合金5A06的焊接時(shí)盡量選用Mg含量接近母材的焊材，因?yàn)镸g可顯著提高合金強(qiáng)度。

（3） 鋁鎂合金5A06焊接試件經(jīng)過(guò)310～330℃的焊后退火，可顯著影響合金位錯(cuò)密度、再結(jié)晶晶粒數(shù)量并消除晶格畸變，細(xì)化晶粒，降低硬度和焊接應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)過(guò)彌散強(qiáng)化，有效提高了焊接接頭的力學(xué)性能。

（4）當(dāng)焊接量較小且無(wú)法采購(gòu)到ER5556焊絲時(shí)，建議選用由母材加工而成的焊絲進(jìn)行焊接，且焊件經(jīng)310～330℃退火處理后，能確保焊接接頭性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)有限，僅供同行參考。