鋁鎂合金5A06管道焊接工藝試驗研究

羅曉軍，呂仲光，何世軍，周光河，童愛群

中國石油第二建設(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，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，在進行焊接工藝評定前，先查閱了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)關(guān)于鋁鎂合金5A06焊接的文獻，發(fā)現(xiàn)采用TIG焊和MIG焊后，均出現(xiàn)了拉伸強度低于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值的問題，僅有MIG焊的焊接接頭符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但在實際的煉化裝置施工過程中主要采用TIG焊，MIG焊主要用于航空、航天領(lǐng)域。針對這一問題進行了鋁鎂合金5A06 TIG焊接工藝試驗研究，并得到了符合NB/T 47014—2011[1]評定要求的合格TIG焊焊接工藝。本文針對鋁鎂合金5A06進行TIG焊的焊接工藝試驗進行闡述。

1 試驗材料

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、疲勞強度高等優(yōu)點，同時又具有抗氧化、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。

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

表1 5A06中各組分的質(zhì)量分數(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，得知目前市場上只能采購到ER5356焊絲，且參考文獻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，作為本次試驗的第二種焊材進行試驗對比。

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

表3 焊接材料中各組分的質(zhì)量分數(shù) 單位：%

2 焊接工藝試驗

2.1 試件尺寸與坡口型式

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

2.2 焊接方法及設(shè)備

本次試驗采用TIG焊接工藝進行試驗，焊接設(shè)備采用松下YC-500WX4型交直流脈沖氬弧焊機，選用φ2.4 mm鈰鎢極，鎢極伸出噴嘴長度為7.0～9.0 mm，噴嘴直徑為10 mm。保護氣為高純氬氣，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，焊前可采用機械法或化學(xué)法對坡口及其兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)區(qū)域嚴格進行表面清理，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)銼進行坡口清理，同時清理后的焊件應(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)文獻資料、規(guī)范及焊接經(jīng)驗，確定焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 試驗焊接工藝參數(shù)

2.5 焊接試驗分組

根據(jù) NB/T 47014—2011第6.4.1.5.4條要求：“5A06試件抗拉強度的合格指標(biāo)為母材規(guī)定的抗拉強度最低值等于其退火狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強度下限值”。查閱GB/T 4437.1—2000得知，交貨狀態(tài)為硬度H112的5A06管材最低抗拉強度應(yīng)為315 MPa，即試件的拉伸試驗抗拉強度不得低于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度僅為母材的50%～90%，完全達不到母材最低抗拉強度為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，此時合金內(nèi)部幾乎所有位錯都獲得足夠能量而發(fā)生移動，脫離了第二相粒子釘扎和高密度位錯的相互纏結(jié)，使合金畸變狀態(tài)迅速消失。275℃時合金已發(fā)生完全再結(jié)晶，合金中的拉長晶粒已被無畸變的等軸晶粒所取代，合金內(nèi)部由高密度位錯和晶粒變形造成的儲能已基本消除，合金硬度顯著下降。高于275℃時，由于合金內(nèi)部已基本沒有殘留儲能，同時在冷卻過程中再析出的細小而彌散的β相（Mg5Al8） 均勻地分布于α基體上，細小而致密的β相有利于提高合金性能（此種現(xiàn)象為彌散強化）。因此焊后退火會顯著影響合金位錯密度、再結(jié)晶晶粒數(shù)量并消除晶格畸變，而位錯密度和再結(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[1]得到鋁鎂合金5A06退火溫度為310～330℃。

經(jīng)過以上分析，討論確定進行5組共15個試件的焊接試驗，分組情況見表5。

表5 焊接試驗分組

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)進行焊接，試件表面成型見圖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

3.1 無損檢測

對5組試件按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》（2018年修改版）進行100% RT檢測，45張X光片檢測結(jié)果全部為合格，且底片評定結(jié)果全部為I級片。

3.2 拉伸試驗

在5組試件中每組取2個進行拉伸試驗，結(jié)果見表6。

表6 試件焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出：

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

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

（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度低于采用焊前退火焊絲進行焊接試件的抗拉強度。

（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度≥315 MPa，符合NB/T47014—2011的規(guī)定。

從表1～3對比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度，且確保合金的穩(wěn)定性；Mg可顯著提高合金強度同時保證材料塑性不過分降低。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度低于用母材焊絲焊接試件的抗拉強度。

此次試驗中用母材5A06焊絲焊接的試件，經(jīng)焊后退火后其抗拉強度達到了要求，這也進一步證明試驗方案是科學(xué)合理的。

3.3 彎曲試驗

對5組試件的每組取4個試樣分別進行面彎和背彎試驗，全部合格。

4 試驗遺留問題

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，但由于市場采購不到此種焊材，因此本次試驗選用了可采購到的ER5356焊絲和由母材5A06加工而成的焊絲。從本次試驗以及焊絲ER5556的化學(xué)成分看，ER5556的化學(xué)成分更接近母材，但采用ER5556焊絲進行焊接是否會出現(xiàn)試件抗拉強度低于母材的問題還無法預(yù)知，若今后有機會采購到ER5556焊絲后再進行對比試驗，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度低于采用母材加工的焊絲焊接的試件。

（2）采用TIG焊進行鋁鎂合金5A06的焊接時盡量選用Mg含量接近母材的焊材，因為Mg可顯著提高合金強度。

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

（4）當(dāng)焊接量較小且無法采購到ER5556焊絲時，建議選用由母材加工而成的焊絲進行焊接，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。

本文試驗結(jié)果數(shù)據(jù)有限，僅供同行參考。