鋁鎂料倉中的雙面同步TIG焊工藝

孫萬田

（中石化第五建設(shè)有限公司，廣東廣州510145）

鋁鎂料倉中的雙面同步TIG焊工藝

孫萬田

（中石化第五建設(shè)有限公司，廣東廣州510145）

為完成聚乙烯工程中鋁鎂料倉的焊接任務(wù)，采用雙面同步氬弧焊工藝對該材料進行了焊接工藝研究，在分析焊接性和反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，擬定了合理的焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)以及焊接過程中的操作技巧和操作要點，并對焊接接頭進行多項力學(xué)性能試驗。結(jié)果表明，擬定的焊接工藝方案對于鋁鎂合金對接接頭是可行的，焊縫性能可以得到保證，同時也可作為制定類似材料焊接工藝的參考。

鋁鎂合金（5083-H112）；雙面同步；焊材5183；焊接工藝

0 前言

由中石化第五建設(shè)有限公司承建的鎮(zhèn)海煉化45萬t/年聚乙烯項目共有19臺直徑7.6 m，高20.29 m的料倉。材質(zhì)為鋁鎂合金（5083-H112）。存儲介質(zhì)為聚乙烯摻混物、聚乙烯成品顆粒等。在焊接前通過分析該材料的焊接性能，制定出焊接工藝，并針對焊接過程中可能產(chǎn)生的問題采取了相應(yīng)的工藝措施，順利完成了鋁鎂料倉的焊接任務(wù)。

1 材料簡介[1]

鋁鎂合金（國內(nèi)牌號5083-H112）是一種常見的非鐵基材料。該材料具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)性能，其密度低、比強度高、熱導(dǎo)率高、電導(dǎo)率高、耐蝕能力強（見表1、表2），已廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空航天、石油化工等行業(yè)。

2 焊接性能分析[1-2]

鋁鎂合金是一種焊接操作較難掌握的金屬。該材料在高溫熔融狀態(tài)下沒有明顯的顏色的變化使焊工難以分清，加之導(dǎo)熱性很強極易產(chǎn)生未熔合。有害氣體在熔池凝固結(jié)晶過程中，來不及逸出熔池表面，就會在焊縫中形成氣孔。焊接時，電極過熱熔化或電極與熔池或焊絲接觸造成容易在焊縫中形成夾渣。焊件在焊接過程中會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，在脆性溫度區(qū)域內(nèi)易產(chǎn)生熱裂紋。線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性強，易產(chǎn)生焊接變形。

3 焊接材料

3.1 保護氣體

焊接鋁及鋁合金用的惰性氣體主要是氬氣（Ar）和氦氣（He）。由于氬氣相對于氦氣價格便宜，故應(yīng)用氬氣最為廣泛?，F(xiàn)場保護氣體采用氬氣純度不小于99.99%即可滿足要求。

3.2 鎢極

焊接時采用φ4.0 mm的鈰鎢極，噴嘴直徑為φ16 mm。鎢極端部磨成錐形，通常使用的圓錐角為30°～60°，尖端磨平，直徑約0.6 mm。

3.3 焊接材料

根據(jù)鋁鎂合金（5083-H112）的焊接特性，打底焊、填充、蓋面均采用TIG焊接。選用的焊絲型號為5183，見表3。

4 焊接工藝

4.1 工藝概述

鋁鎂合金雙面同步氬弧焊工藝是指采用兩臺交流氬弧焊機，在保證輸出極性相匹配的情況下，由兩名焊工在焊縫同一部位的正反兩面，沿同一方向用相同的焊接速度進行焊接。

該工藝在對稱焊時能量集中，可輸入較大的焊接線能量，滿足鋁鎂合金熔點低、易熔化、導(dǎo)熱率大的特性。在正反面均有氬氣對熔池進行有效保護，減少空氣對熔池的侵入，電弧對熔池的攪拌作用增大，有利于熔池內(nèi)氣體析出。正反面電弧的推力可阻擋液鋁熔池的塌陷，使焊縫外觀成型良好，見圖1。

4.2 坡口加工[3]

坡口采用等離子切割，加工速度快、精度高。

焊接縱縫時，坡口加工成對稱的X形坡口。兩側(cè)坡口角度相同，焊工可以很好的控制熔池的變化、線能量均勻、焊接接頭熔合良好，焊縫中的有害氣體順利逸出，如圖2所示。

焊接環(huán)縫時，坡口加工成不對稱的X形坡口，上板角度要大于下板角度10°～20°，這樣下板的小角度有一定依托作用，既能延緩熔池向下流動的趨勢，又能保證焊縫熔合良好，還有利于焊接時焊縫中的有害氣體順利逸出，如圖3所示。

4.3 焊前清理[4]

對坡口兩側(cè)50 mm范圍之內(nèi)及坡口表面進行徹底的清理。清理坡口和焊絲時，首先用丙酮溶劑除去表面油污，用5%的NaOH溶液在50℃～60℃清洗4～5 min，然后用清水沖洗，再用25%的HNO3在常溫下清洗2 min，清水沖洗后，最后用無油的壓縮空氣吹干。

4.4 預(yù)熱

焊前預(yù)熱主要是為了消除天氣潮濕和焊前清理吸附于母材坡口表面的水分，溫度控制在80℃～100℃以內(nèi)即可。

4.5 組對、打底焊接

組對時，工裝卡具應(yīng)裝在外壁上，拆除工裝卡具時，不得損傷母材，否則應(yīng)進行修補，并打磨平滑。要嚴(yán)格控制錯邊量，防止出現(xiàn)未焊透產(chǎn)生的裂紋和氣孔。定位焊與正式焊接參數(shù)相同，每塊壁板的定位焊的數(shù)量不應(yīng)少于3點，每處長度不小于30 mm，并應(yīng)焊透且無任何缺陷。將定位焊的焊縫兩端打磨成帶斜坡的凹槽，以便于正式焊接時接頭部位能良好的熔合。

4.6 焊接[5]

正式焊接前，在引弧板采用高頻引弧，待電弧穩(wěn)定后，迅速移至工件起弧點，停留至形成清晰明亮的熔池，再添加焊絲。焊把在焊接時要盡量垂直焊件，焊絲送進時與焊縫表面的夾角為15°～20°，焊槍與工件表面的夾角宜在80°～90°。這樣能很好地控制熔池大小，而且可使噴嘴氬氣均勻的保護熔池而不被氧化。焊接第一層時，正面氬弧焊填充焊絲，背面氬弧不填充焊絲，直接利用電弧熱熔透焊縫根部。焊把要一直擺動，擺動幅度不超過焊絲直徑的三倍，可以起到攪拌熔池和消除缺陷的目的，焊把和焊絲要隨著位置的變化隨時變化。

焊接時，鎢極端部離焊件距離約3 mm，焊絲要順著坡口均勻平穩(wěn)地送到熔池的前端，待焊絲熔化，兩邊稍作停留，焊絲均勻的、斷續(xù)地送進熔池向前移動。在焊接時，焊絲的端部要始終在氬氣的保護之中，防止氧化而生成雜質(zhì)。如發(fā)生鎢極觸及焊絲或熔池，應(yīng)停止焊接，清理干凈后重新施焊。

在填絲過程中，焊絲不能與鎢極直接接觸或直接深入電弧的弧柱區(qū)，否則會造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩(wěn)定。若焊絲端頭處在高溫狀態(tài)時脫離了氬氣保護區(qū)域，容易在空氣中被氧化，當(dāng)再次焊接時被氧化的焊絲端頭送入到熔池中會形成夾渣。若鎢極長度伸出量過大，焊把擺動不穩(wěn)定，鎢極與焊絲或鎢極與熔池相接觸時，又未終止焊接打磨消除缺陷，會造成夾鎢缺陷的產(chǎn)生。坡口邊緣不要被電弧擦傷，以備蓋面層的焊接。

蓋面時，應(yīng)在坡口邊緣稍作停頓，以保證熔池與坡口更好的熔合，保證蓋面層焊縫和邊緣熔合整齊美觀。收弧時，要避免產(chǎn)生弧坑裂紋。在接近熄弧處加快焊接速度和送絲速度，將弧坑填滿后，逐漸拉長電弧而實現(xiàn)熄弧，同時將焊嘴在收弧處放置10～20 s。

4.7 焊接工藝參數(shù)

雙面同步氬弧焊的工藝參數(shù)與單面焊的情況有所不同，由于雙面同時熱輸入，選用的電流比單面焊時應(yīng)略低些，但在焊工能夠掌握的情況下，仍應(yīng)盡可能采用大電流進行焊接，焊接工藝參數(shù)見表5。

4.8 焊接結(jié)果

在實際焊接過程中，焊縫表面質(zhì)量檢查100%達到合格要求。拍片2 964張，有55張片子存在氣孔、夾鎢、未熔合缺陷，焊接一次合格率為98.1%。

焊接完成的料倉經(jīng)氣密試驗全部一次成功，無一處發(fā)生泄露和變形的現(xiàn)象。

4.9 經(jīng)驗總結(jié)

（1）雙面同步氬弧焊工藝可較大程度的提高焊接質(zhì)量，不需要襯環(huán)，節(jié)約了襯環(huán)材料和襯環(huán)安裝時間，組對坡口工作大大簡化，焊后不用清根，生產(chǎn)效率高且焊接變形小，可充分利用電弧熱量，降低能耗，但受焊接位置的限制，只能局限于板材的橫焊和立焊。

（2）雙面對稱焊對工藝和清理要求嚴(yán)格，在焊前認(rèn)真清理焊縫表面，以及嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度，是確保預(yù)防焊接缺陷產(chǎn)生的有效措施。

（3）為保證雙面同步氬弧焊的順利進行，必須保證兩臺焊機的輸出極性相匹配，即必須使兩臺焊機的輸出交流脈沖在高峰低谷之間相互錯開，從而保證兩個焊把的電弧能穩(wěn)定燃燒。施焊過程中講求對焊雙方的緊密配合，對焊工的操作有較高要求。

5 結(jié)論

實踐證明，在聚乙烯工程中鋁鎂合金料倉采用雙面同步氬弧焊工藝是可行的，焊縫性能可以得到保證。尤其在大直徑的鋁制非壓力容器焊接方面，具有良好的實用價值。項目自2010年4月投產(chǎn)至今運行良好，為今后同類材質(zhì)的焊接積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第二卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版，2002.

[3]SH/T3513-2009，石油化工鋁制料倉施工及驗收規(guī)范[S].

[4]HGJ222—92，鋁及鋁合金焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[5]孫景榮.實用焊工手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[6]H2007—01，中石化第五建設(shè)有限公司焊接工藝評定[S].

Page 22相近，焊后1次SR處理狀態(tài)的遠(yuǎn)高于焊后狀態(tài)的（見圖7及圖9）。采用不同焊條施焊的不同狀態(tài)鍛件焊接熱影響區(qū)在-100℃試驗溫度下，沖擊試樣還未處于完全脆性狀態(tài)（見圖10及圖11）。

以上試驗結(jié)果表明：不同焊條施焊的不同狀態(tài)鍛件熱影響區(qū)和采用LB-65L焊條施焊的不同狀態(tài)焊縫金屬的低溫沖擊韌性較優(yōu)良。

4.3 焊接接頭的無塑性溫度（NDTT）試驗

對LB-65L及J607RHA焊條施焊的試板進行焊后1次SR處理后，沿接頭大坡口側(cè)表層按GB 6803-1986的規(guī)定分別制取P2型焊接接頭落錘試樣，裂紋源缺口位于焊縫金屬中心。不同焊條施焊的焊縫金屬落錘試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可知，焊后1次SR處理狀態(tài)下，LB-65L焊條施焊的焊縫金屬的NDTT為-80℃，J607RHA焊條施焊的焊縫金屬的NDTT為-75℃，采用兩種焊條施焊其焊縫金屬的NDTT無明顯差異。

5 結(jié)論

（1）通過焊接冷裂紋試驗，證實了10Ni3MoVD鍛板具有良好的抗冷裂紋性能。預(yù)熱75℃以上用LB-65L焊條或J607RHA焊條焊接時，一般不會出現(xiàn)焊接冷裂紋。

（2）插銷再熱裂紋初步測得10Ni3MoVD鍛板的再熱裂紋敏感溫度約為600℃。

（3）焊接線能量試驗結(jié)果表明：隨著線能量的增加，用進口LB-65L焊條焊接10Ni3MoVD鍛板時，焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有所下降，但均在技術(shù)要求值之上，說明采用LB-65L焊條時10Ni3MoVD鍛板在球罐的平、橫、仰焊等位置時有較大的線能量適應(yīng)范圍。用J607RHA焊條焊接10Ni3MoVD鍛板，在較大的焊接線能量時，焊縫金屬-50℃沖擊韌性不能滿足技術(shù)要求。

（4）根據(jù)采用LB-65L及J607RHA焊條分別施焊的不同熱處理狀態(tài)的10Ni3MoVD鋼鍛板焊接接頭的低溫韌性的試驗結(jié)果，可以認(rèn)為10Ni3MoVD鋼鍛件焊接熱影響區(qū)的低溫韌性良好。

（5）采用LB-65L焊條施焊，其焊后及焊后1次SR處理狀態(tài)的焊縫金屬低溫韌性優(yōu)良；采用J607RHA焊條施焊，其焊縫金屬在焊后1次SR處理狀態(tài)下-50℃的沖擊吸收功不能滿足技術(shù)要求。

[1] 鐘宇澄.低溫壓力容器大鍛件韌性評定的研究[J].壓力容器，1984（2）：25-30.

[2] 鐘宇澄.低溫壓力容器大鍛件生產(chǎn)的研討[J].石油化工設(shè)備，1986，15（1）：27-32.

[3]竇萬波，卜華全，陸戴丁，章，10Ni3MoVD鍛件焊接裂紋敏感性試驗研究[J].壓力容器，2011（11）：8-13.

[4] 傅積和.焊接數(shù)據(jù)資料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

Study on the technology of double-face synchronization TIG in Al-Mg silo

SUN Wan-tian
（The Fifth Construction Co.，Ltd.of Sinopec，Guangzhou 510145，China）

In order to thoroughly understand and satisfy the Al-Mg alloy welding technical in polyethylene project，using double-face synchronization TIG welding technology research and analysis the material welded joint mechanic performance characteristics.Based on repeatedly welding mechanic analysis and the assumed welding procedure and method，the research presented that the established welding procedure and method applied to the Al-Mg alloy material.And a reference for the other similar alloy material welding was supplied.

Al-Mg Alloy（5083-H112）；double-face synchronization；welding material 5183；welding technology

TG457.1

：A

：1001-2303（2014）02-0023-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.05

2013-01-27；

2013-10-24

孫萬田（1983—），男，甘肅蘭州人，工程師，現(xiàn)從事石油化工設(shè)備及管道安裝技術(shù)管理工作。