CN113664339A - 铝镁合金焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝镁合金焊接方法，包括步骤：1)铝镁合金板材焊接工艺及控制方法设计：1.1)采用手工钨极双面同步氩弧焊；打底焊均采用双面同步焊进行；焊丝选择融化温度低于母材的填充金属；1.2)设计特定的接头及坡口形式；1.3)设计特定的焊接工艺参数；2)铝镁合金焊接过程及检验：2.1)提出特定的焊接施工环境要求以及焊件及焊材清理要求；同时对镁合金板进行提前预热；2.2)焊接过程中，设计特定的焊接作业工艺；2.3)对焊缝提出高质量要求；2.4)焊接完成后及时处理焊缝及其附近的焊渣。本焊接方法从通过对施工环境进行焊接参数优化，制定最优的施工方案，提高焊接效率、提高经济效益。
Description
技术领域
本发明创造属于焊接技术领域，具体是一种铝镁合金焊接方法。
背景技术
随着国民经济和新材料科技的发展，各种新型材料广泛应用，其中铝镁合金因其独特的耐腐蚀、低温强度高、质轻、持久耐用等性能，在现代制造业、大型船舶、国防建设、航空航天、电子信息和娱乐器材业等制造领域大放光彩，尤其在石油化工和低温工程的应用上备受青睐，广泛应用于管道制作和其他强度高、耐腐蚀性工业。但由于铝镁合金质坚量轻但壁薄的特点，与其他黑色金属管道的焊接相比具有特殊性，因而一次焊接合格率极低，极大的浪费了人力、物力、财力。
目前，铝镁合金在管道中的焊接合格率略高于50％，为此提高管道焊接的合格率，是一个亟待解决的问题。其表面的氧化膜三氧化二铝和氧化镁，氧化镁可以吸收较多的水分，焊接过程中分解生成氢，同时铝镁合金的导热性很大，熔合区中金属冷却速度很快，均不利于气泡的散出，因而在焊接过程中极易产生气孔；三氧化二铝和氧化镁均为难溶氧化物，且密度和铝镁合金的密度接近，故在熔融状态下不易溶化的氧化物就难以浮出熔池表面而形成夹杂。另外，铝镁合金的线膨胀系数是钢铁的2倍，因此易产生较大的焊接应力，这也是铝镁合金产生热裂纹的原因。综上所述，由于铝镁合金材料的特性，导致在焊接时极易产生气孔、夹渣和裂纹三类缺陷，据统计，气孔约占缺陷总数的69.4％，未熔合和夹渣约占总数的21.8％，裂纹约占5.6％。
在工程中，对于如铝镁合金料仓这类具有体积较大、壁厚较薄、强度较小、焊接难度大等特点的设备，使得其在焊接时容易出现气孔、夹杂和裂纹等缺陷，给工程质量带来了一定的影响且会造成一定经济损失，因此现场制造料仓时需要优化了铝镁合金焊接工艺参数，有效消除焊缝中的缺陷，才能保证工程质量，提高焊接合格率。
发明内容
近年来，容器用铝及铝合金材料，由于良好的耐蚀性能、力学性能、物理性能及较高的性价比广泛应用于空分装置的制氧设备，料仓和其他化工工程中。铝镁合金与碳钢等黑色金属相比具有特殊的物理和化学性能，而铝镁合金的焊接质量则是设备或管道能否安全、稳定、长周期运行的关键因素之一。
铝镁合金的焊接方法很多，几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝镁合金，但是铝镁合金对各种焊接方法的适应性不同，气焊和电弧焊设备简单、操作方便，气焊可用于对焊接质量要求不高的薄板和铸件的补焊，焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。根据特定条件下的工艺参数的设计及施工过程中的质量控制对提高施工效率有着较大的影响。
本发明提出一种铝镁合金的焊接方法：包括步骤：
1)铝镁合金板材焊接工艺及控制方法设计
1.1)焊接方法
1.1.1)采用手工钨极双面同步氩弧焊；
1.1.2)打底焊均采用双面同步焊进行；
1.1.3)焊丝选择融化温度低于母材的填充金属；
1.2)接头及坡口形式
铝镁合金板材厚度是8～16mm；坡口是单V型坡口；坡口角60°～80°，组对间隙b ≤1～2mm，钝边即底层厚度是1～2mm。
1.3)焊接工艺参数
焊接工艺参数如下表所示：
钨极氩弧焊焊接工艺参数
焊接氩气纯度不低于99.96％、氩气压力不低于0.5Mpa，氩气含水量不大于50mg/m3；钨极采用铈钨极；
2)铝镁合金焊接过程及检验
2.1)焊前准备
2.1.1)焊接施工环境要求：风速不大于1.5m/s；相对湿度不大于80％；无雨雪；环境温度不低于5℃；
2.1.2)焊件及焊材清理
a)对焊缝坡口及其附近60mm范围内去除油污及其它不利于焊接的有害物质，随后刷出金属光泽；清理完成的工件应该妥善保管并在8h内焊接完毕；
b)焊接前焊丝用温度70℃、浓度5-10％NaOH溶液浸泡2-3分钟，取出后用清水冲洗后放入25-30％的HNO3溶液中进行2-3分钟的中和反应，取出用清水冲洗干净晾干后放入烘干箱内储存备用；
2.1.3)焊前预热
对壁厚大于10mm的铝镁合金板进行提前预热，预热温度为100℃；
2.2)焊接要点
a)施工前进行防风、防雨措施；
b)正式焊接前先打开氩气，保持流通驱散焊口附件周围的氧气以及导气管内长时间存放残留的水分；然后在引弧板或者坡口上引弧，电弧长2-3mm，不在母材上引弧；
c)停止焊接作业时，在收弧部位停留以多填充金属，然后使电流逐步降低至断弧，断弧后氩气多保留6-10秒；
d)焊接人员在操作中，焊枪与工件焊接表面距离控制在8-10mm之间，焊丝与焊件之间的夹角控制在10-20°之间；
e)焊接操作时应该采用分段退步焊和均匀对称焊接等方法，以减少焊接变形。
f)多层焊接时，控制层间温度不得超过150℃；
2.3)焊缝质量要求
a)内壁焊缝打磨至与母材平齐；焊缝外形是自然平滑过渡，无表面裂纹、气孔夹渣和融合性飞溅陷，咬边深度不得大于0.5mm，焊缝两边咬边总长度不得超过总长度的10％，且不得大于100mm；
b)焊缝内部质量检验及合格标准应按照设计要求进行，现场采用X射线检测，要求一次探伤合格率不得低于85％，对不合格部位进行返修重拍。
2.4)焊后清理
焊接完成后及时处理焊缝及其附近的焊渣。
本焊接方法适用于5052铝镁合金的焊接。
本焊接方法从坡口形式、焊接速度、焊接电流、焊接电压、焊丝规格等参数方面分析其对铝镁合金焊接接头的影响并针对施工环境进行焊接参数优化，制定最优的施工方案，提高焊接效率、提高经济效益。
附图说明
图1是铝及铝合金分类图；
图2是坡口示意图。
具体实施方式
下面以本焊接方法应用于某年产30万吨聚苯材料的机电设备安装工程为例，对本发明创造进一步说明：
本工程中，用到本焊接方法的是上述工程中的10台铝镁合金材质的料仓的焊接。
以下描述中，“铝板”即为“铝镁合金板”。
料仓的主要参数：
铝镁合金料仓的设计参数如下所示：
设备规格：
δ＝8～16；
主体材质：5052(密度2.68g/cm3)；
焊接接头系数：0.85；
设计压力：0.005MpaG；
设计温度：80℃；
设计容积(操作容积)：366m3；
泄漏试验：煤油渗漏试验；
无损检测：AB类焊接接头进行15％射线检测，执行标准NB/T47013.2，合格等级为Ⅲ。
技术分析：
铝镁合金焊接性分析
1铝镁合金简介
室温下，镁在铝中的溶解度为0.34％，最大为14.9％，铝镁表面可行程氧化膜(主要成分是：三氧化二铝·氧化镁)具有良好的耐蚀性。当镁的含量较高时会析出部分晶体，析出晶体与基体间的电位差较大，会使耐蚀性明显下降，因而镁铝合金中的镁含量一般低于12％，常用牌号低于8％，不同镁含量形成不同牌号。
铝镁合金和铝锰合金同归属于防锈铝，在GB/T340-1976《有色金属及合金产品牌号》中规定用汉字拼音首字母的简写来表示铝及铝合金的牌号，其中规定铝镁合金用LF2和LF3 表示。1997年1月1日开始实行新的标准，即GB/T16474-1996《变形铝及铝镁合金牌号表示方法》，用它来代替GB/T340-1976中有关变形铝和铝合金号牌的表示方法，新的牌号表示方法主要采用变形铝及铝合金国际牌号注册协议组织推荐的国际四位数字体系牌号命名方法，比如：5052、5005、5754等。
2铝及铝合金的分类
铝及铝合金的分类如图1所示。
3铝镁合金的理化性能及焊接性能
3.1常温下，铝合金的表面就能被氧化成厚度约为0.1～0.2mm致密的三氧化二铝薄膜，三氧化二铝材料熔点为2050℃，远远高于金属铝的熔点(500～600℃)，其密度约为金属铝的1.4倍。焊接过程中氧化膜会阻碍母材之间的进一步结合，易造成夹渣缺陷。表面的三氧化二铝氧化膜在空气中长时间存放还会吸收水分，焊接时高温使水汽蒸发容易形成气孔缺陷。因此，为了保证焊接质量，焊接之前必须严格清理母材表面的金属氧化物，并在焊接过程中采取一定的措施，防止在高温下再次氧化。对融化母材和处于高温下的金属材料进行有效的保护，防止其和空气反应生成氧化膜是铝和铝合金的一个重要特点。
3.2铝镁合金导热系数较高，比热容较大，约为钢材的五倍，焊接时大量的热量被迅速传到基体金属内部，因而在焊接铝合金时，不仅要考虑熔池消耗的能量，还要考虑在其他部位的能量损失，所以为了获得高质量的焊接接头，应当采用能量集中、功率大的设备，有时也可采用预热等工艺措施。
3.3铝的线膨胀系数约为23.3×0-6/℃，碳素钢和低合金钢的线膨胀系数约为11.7× 10-6/℃，即，铝及铝合金的线膨胀系数约为铁的两倍，在同一条件下凝固时铝的体积收缩较大，达到6.5％，而铁为3.5％，因而铝及铝合金在焊接时较铁更容易产生缩孔、热裂纹及较高的内应力。
3.4铝制品在空气中存放时会在表面生成致密氧化膜，会吸收空气中的水分，焊接时熔池中融入大量的水蒸气等气体在凝固时来不及析出，会聚集在焊缝中形成气孔等缺陷。焊接时氩气中的水分、焊材和母材中含有的水分也是焊缝中氢气的重要来源。因此，焊接前对母材坡口与焊丝进行清理是减少气孔缺陷的重要手段。
3.5铝及铝合金焊接熔池金属由固态变成液态时没有明显的颜色变化，焊工透过面罩仅凭肉眼不易辨别，给焊接操作带来了不变。
3.6铝为面心立方晶格，没有别的同素异形体，加热及冷却过程中没有相变产生，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
3.7铝镁合金(5052)的化学成分部分机械性能见下表：
表1 5052铝镁合金的化学成分(％)
表2 5052铝镁合金在各温度下的纵向弹性模量
表3 5052铝镁合金的机械性能(JB/T4732-2002)
注：σp0.2为规定非比例伸长应力，表示拉伸试样标距的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时应力。
表4铝及铝合金在各温度下的线膨胀系数
| 温度，℃ | -198 | -180 | -160 | -140 | -120 | -100 | -80 | -60 | -40 |
| 线膨胀系，10-6/℃ | 17.83 | 18.15 | 18.53 | 18.90 | 19.27 | 19.65 | 20.10 | 20.56 | 20.97 |
| 温度，℃ | -20 | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 |
| 线膨胀系，10-6/℃ | 21.31 | 21.65 | 22.03 | 22.34 | 22.71 | 23.07 | 23.32 | 23.60 | 23.81 |
| 温度，℃ | 160 | 180 | 200 | 220 | 240 | 260 | 280 | 300 | 320 |
| 线膨胀系，10-6/℃ | 24.02 | 24.23 | 24.43 | 24.64 | 24.83 | 25.02 | 25.22 | 25.42 | 25.56 |
表5 5052铝镁合金部分物理与工艺性能
焊接工艺及控制方法设计
1、焊接方法
1)目前钨极氩弧焊广泛应用于各类合金钢等焊接中，同样也是铝及铝合金焊接的主要方法，结合本项目部自有机具，经过研究决定采用手工钨极双面同步氩弧焊。
2)为了保证焊接质量，主要在空间条件允许的情况下，打底焊均采用双面同步焊进行。同步焊接的最大优点在于焊缝正反两面都能得到氩气的良好保护，焊接时空气不能侵入熔池和附件的受热部分，焊缝表面不被氧化，不易产生气孔、夹渣、未熔合现象，外观成型好，也能提高焊接速度。它的缺点是对焊工的要求比较高，焊接过程中两名焊接人员以外侧为主、里面为辅，必须配合熟练，因此施工前需花费较多的时间进行同步焊的培训。
3)本项目料仓焊接铝镁合金最小厚度为8mm，最大厚度为16mm，综合考虑产品的力学性能、耐蚀性能以及抗裂性后选择融化温度低于母材的填充金属ER5356，它能大大减少热影响区的晶间裂纹倾向。
2、接头及坡口形式
此次施工成品为料仓，所以焊接接头主要形式为对接焊缝，但是铝合金的流动性更好，并且焊枪喷嘴尺寸较大，因而一般都采用较小的根部间隙和较大的坡口角度，本项目采用单V型坡口，坡口各尺寸如图2所示：坡口角70°，组对间隙b≤1～2mm，钝边即底层厚度是1～2mm。
3、焊接工艺参数
焊接工艺参数见表6所示：
表6手工钨极氩弧焊焊接铝及铝合金工艺参数
针对本项目板厚14mm，具体设置的焊接参数如下表7所示：
表7 5052铝镁合金(14mm)板对接焊接参数
表8 ER5356焊丝化学成分
本施工中，焊机选择国产NSA-400型交流氩弧焊机；焊接氩气纯度不低于99.96％、瓶内压力不低于0.5Mpa，含水量不大于50mg/m3；由于铈钨极具有电子逸出功低、化学稳定性高、允许电流密度大、无放射线，所以采用铈钨极。
铝镁合金焊接过程及检验
1、焊前准备
1.1焊接施工环境检验
5052铝镁合金焊接施工过程中应该密切监视周围环境，出现下列情况时必须采取一定的措施，否则应当停止焊接：
1)风速大于1.5m/s；
2)相对湿度大于80％；
3)下雨下雪；
4)环境温度低于5℃；
1.2焊件及焊材清理
1)对焊缝坡口及其附近各60mm范围内应用丙酮等有机溶剂去除油污及其它不利于焊接的有害物质，随后用铜丝刷或者钢丝刷刷出金属光泽。清理完成的工件应该妥善保管并在8h内焊接完毕，否则应再次进行清理。
2)焊接前焊丝应用温度70℃、浓度5-10％NaOH溶液浸泡2-3分钟，取出后用清水冲洗后放入25-30％的HNO3溶液中进行2-3分钟的中和反应，取出用清水冲洗干净晾干后放入烘干箱内储存备用。
1.3焊前预热
焊前预热可减少焊件变形、气孔等缺陷薄。小的铝板焊接不用预热，本项目中壁厚大于10mm时进行提前预热，预热温度为100℃。在预热过程中先是采用氧气-乙炔预热，但是发现预热温度不够均匀，不易控制，于是后期采用伴热带预热，取得了良好的效果。
2、焊接要点
1)由于本项目部临近海边，常年有风、空气湿度较大，且施工日期集中在第二、三季度，因此施工前需搭建好防风、防雨棚，预防不利天气对焊接造成影响。
2)正式焊接前应该先打开氩气，保持流通约半分钟左右，以驱散焊口附件周围的氧气以及导气管内长时间存放残留的水分。然后在引弧板或者坡口上引弧，电弧长2-3mm，严禁在母材上引弧。
3)停止焊接作业时，为了防止接头处产生弧坑裂纹、缩孔等缺陷，收弧部位应该适当停留几秒钟多填充一些金属，然后使电流逐步降低至断弧，断弧后氩气不应立刻撤离，还应该停留6-10秒，以防止接头处空气重新聚集在高温下氧化。
4)焊接人员在操作中应时刻关注焊枪、焊丝和焊件三者之间空间位置的变化，焊枪与工件焊接表面应控制在8-10mm之间，焊丝与焊件之间的夹角一般控制在10-20°之间。
5)焊接操作时应该采用分段退步焊和均匀对称焊接等方法，以减少焊接变形。
6)采用多层焊接时，应该注意控制层间温度不得超过150℃。
3、焊缝质量检验
1)设备内壁焊缝要求打磨至与母材平齐，其对接焊头焊缝表面质量应符合设计及规范要求。外形应该自然平滑过渡，不允许有表面裂纹、气孔夹渣和融合性飞溅等缺陷，咬边深度不得大于0.5mm，焊缝两边咬边总长度不得超过总长度的10％，且不得大于100mm。
2)焊缝内部质量检验及合格标准应按照设计要求进行，现场采用X射线检测，要求一次探伤合格率不得低于85％，对不合格部位进行返修重拍。
4、焊后清理
焊后留在焊缝及其附近的焊渣会破坏母材表面的氧化膜，有时还会腐蚀铝镁合金，因此焊接完成后应及时处理
5、焊后热处理
1)铝容器一般焊后不需进行热处理，如果所用的铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力使其降低到临界值以下，这时应该由设计单位在设计文件中体现出来，才进行焊后热处理。
2)本次施工的5052铝镁合金料仓不需进行焊后热处理。
结论
1)通过深入分析铝镁合金材料的焊接特点，科学合理地制定焊接工艺，提高了焊接质量，大大降低了各类缺陷孔出现的几率。焊接完成后，经外观检查，焊缝成形平整美观，过渡圆滑，各项指标均在规范允许范围内。经RT和UT检测合格率在98％以上。
2)5052铝镁合金的焊接作为铝合金焊接的一种典型，在各行各业特别是石油化工业中取得了越来越广泛的应用，因而通过制定有效，合理的焊接工艺以确保其焊接质量具有重大意义。
Claims (5)
1.一种铝镁合金焊接方法，其特征是包括步骤：
1)铝镁合金板材焊接工艺及控制方法设计
1.1)焊接方法
1.1.1)采用手工钨极双面同步氩弧焊；
1.1.2)打底焊均采用双面同步焊进行；
1.1.3)焊丝选择融化温度低于母材的填充金属；
1.2)接头及坡口形式
铝镁合金板材厚度是8～16mm；坡口是单V型坡口；坡口角60°～80°，组对间隙b≤1～2mm，钝边即底层厚度是1～2mm。
1.3)焊接工艺参数
焊接工艺参数如下表所示：
钨极氩弧焊焊接工艺参数
焊接氩气纯度不低于99.96％、氩气压力不低于0.5Mpa，氩气含水量不大于50mg/m3；钨极采用铈钨极；
2)铝镁合金焊接过程及检验
2.1)焊前准备
2.1.1)焊接施工环境要求：风速不大于1.5m/s；相对湿度不大于80％；无雨雪；环境温度不低于5℃；
2.1.2)焊件及焊材清理
a)对焊缝坡口及其附近60mm范围内去除油污及其它不利于焊接的有害物质，随后刷出金属光泽；清理完成的工件应该妥善保管并在8h内焊接完毕；
b)焊接前焊丝用温度70℃、浓度5-10％NaOH溶液浸泡2-3分钟，取出后用清水冲洗后放入25-30％的HNO3溶液中进行2-3分钟的中和反应，取出用清水冲洗干净晾干后放入烘干箱内储存备用；
2.1.3)焊前预热
对壁厚大于10mm的铝镁合金板进行提前预热，预热温度为100℃；
2.2)焊接要点
a)施工前进行防风、防雨措施；
b)正式焊接前先打开氩气，保持流通驱散焊口附件周围的氧气以及导气管内长时间存放残留的水分；然后在引弧板或者坡口上引弧，电弧长2-3mm，不在母材上引弧；
c)停止焊接作业时，在收弧部位停留以多填充金属，然后使电流逐步降低至断弧，断弧后氩气多保留6-10秒；
d)焊接人员在操作中，焊枪与工件焊接表面距离控制在8-10mm之间，焊丝与焊件之间的夹角控制在10-20°之间；
e)焊接操作时应该采用分段退步焊和均匀对称焊接等方法，以减少焊接变形。
f)多层焊接时，控制层间温度不得超过150℃；
2.3)焊缝质量要求
a)内壁焊缝打磨至与母材平齐；焊缝外形是自然平滑过渡，无表面裂纹、气孔夹渣和融合性飞溅陷，咬边深度不得大于0.5mm，焊缝两边咬边总长度不得超过总长度的10％，且不得大于100mm；
b)焊缝内部质量检验及合格标准应按照设计要求进行，现场采用X射线检测，要求一次探伤合格率不得低于85％，对不合格部位进行返修重拍。
2.4)焊后清理
焊接完成后及时处理焊缝及其附近的焊渣。
2.根据权利要求1所述的铝镁合金焊接方法，其特征是本焊接方法适用于5052铝镁合金的焊接。
3.根据权利要求2所述的铝镁合金焊接方法，其特征是焊接填充金属是ER5356。
4.根据权利要求3所述的铝镁合金焊接方法，其特征是铝镁合金的板厚14mm，对接焊接参数为：
5.根据权利要求1所述的铝镁合金焊接方法，其特征是所述2.1.3)焊前预热中，采用伴热带预热对铝镁合金板进行预热。
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