铝镁合金5A06管道焊接工艺试验研究

罗晓军，吕仲光，何世军，周光河，童爱群

中国石油第二建设有限公司，甘肃兰州 730060

铝镁合金具有密度小、导电和导热性好、耐氧化、耐腐蚀和耐低温性等特点，广泛应用于石油化工行业高抗氧化性和抗腐蚀性要求的设备和管道中。

某化工装置部分工艺管道采用了铝镁合金5A06，在进行焊接工艺评定前，先查阅了相关标准和国内关于铝镁合金5A06焊接的文献，发现采用TIG焊和MIG焊后，均出现了拉伸强度低于母材标准抗拉强度下限值的问题，仅有MIG焊的焊接接头符合标准要求。但在实际的炼化装置施工过程中主要采用TIG焊，MIG焊主要用于航空、航天领域。针对这一问题进行了铝镁合金5A06 TIG焊接工艺试验研究，并得到了符合NB/T 47014—2011[1]评定要求的合格TIG焊焊接工艺。本文针对铝镁合金5A06进行TIG焊的焊接工艺试验进行阐述。

1 试验材料

1.1 铝镁合金5A06管材

铝镁合金5A06属Al-Mg系非热处理强化变形铝合金，是一种耐腐蚀性好的铝镁合金，又称防锈铝，具有比重小、疲劳强度高等优点，同时又具有抗氧化、导热性好、线膨胀系数RYMN大，焊接易出现夹渣、未融合、焊接变形、气孔等缺陷的特点。

本次试验材料选用D80 mm×5 mm铝镁合金5A06管材，其母材化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 5A06中各组分的质量分数 单位：%

表2 5A06的力学性能

1.2 焊接材料

根据NB/T47015—2011《压力容器焊接规程》[2]第5章推荐，铝镁合金5A06焊接可采用Mn和Mg含量较高的ER5556焊丝，亦可采用ER5183、ER5356焊丝。在咨询多家焊材供应商后，得知目前市场上只能采购到ER5356焊丝，且参考文献中提到的焊接材料也全部采用ER5356焊丝。因此，选用φ2.4 mm的ER5356焊丝为本次试验焊材。

由于ER5356焊丝的Mn和Mg含量均低于母材，为保证焊缝金属的力学性能和耐腐蚀性，决定采用母材5A06加工制成φ3.5 mm焊丝，作为本次试验的第二种焊材进行试验对比。

ER5556、ER5356焊丝及5A06母材焊丝的化学成分见表3。

表3 焊接材料中各组分的质量分数 单位：%

2 焊接工艺试验

2.1 试件尺寸与坡口型式

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的要求进行试件加工，试件采用V型坡口。

2.2 焊接方法及设备

本次试验采用TIG焊接工艺进行试验，焊接设备采用松下YC-500WX4型交直流脉冲氩弧焊机，选用φ2.4 mm铈钨极，钨极伸出喷嘴长度为7.0～9.0 mm，喷嘴直径为10 mm。保护气为高纯氩气，纯度≥99.99%，且含水量≤50 mg/m3。

2.3 试件清理

根据铝镁合金的焊接特点，焊前可采用机械法或化学法对坡口及其两侧50 mm范围内区域严格进行表面清理，去除水分、尘土、金属屑、油污、氧化膜、含氢物质等。为确保焊接质量，本次采用硬质合金旋转锉进行坡口清理，同时清理后的焊件应在8 h内施焊完毕，否则应重新清理。焊丝在使用前也需仔细清理其表面的油污和杂质。

2.4 焊接工艺参数

根据文献资料、规范及焊接经验，确定焊接工艺参数见表4。

表4 试验焊接工艺参数

2.5 焊接试验分组

根据 NB/T 47014—2011第6.4.1.5.4条要求：“5A06试件抗拉强度的合格指标为母材规定的抗拉强度最低值等于其退火状态标准规定的抗拉强度下限值”。查阅GB/T 4437.1—2000得知，交货状态为硬度H112的5A06管材最低抗拉强度应为315 MPa，即试件的拉伸试验抗拉强度不得低于315 MPa。

有研究表明[4-6]，铝镁合金5A06采用TIG或MIG焊接方法得到的焊缝强度仅为母材的50%～90%，完全达不到母材最低抗拉强度为315 MPa的要求。

250～275 ℃为铝镁合金5A06硬度发生突变的温度区间，此时合金内部几乎所有位错都获得足够能量而发生移动，脱离了第二相粒子钉扎和高密度位错的相互缠结，使合金畸变状态迅速消失。275℃时合金已发生完全再结晶，合金中的拉长晶粒已被无畸变的等轴晶粒所取代，合金内部由高密度位错和晶粒变形造成的储能已基本消除，合金硬度显著下降。高于275℃时，由于合金内部已基本没有残留储能，同时在冷却过程中再析出的细小而弥散的β相（Mg5Al8） 均匀地分布于α基体上，细小而致密的β相有利于提高合金性能（此种现象为弥散强化）。因此焊后退火会显著影响合金位错密度、再结晶晶粒数量并消除晶格畸变，而位错密度和再结晶晶粒的数量均为影响铝镁合金力学性能的关键因素。查阅文献[1]得到铝镁合金5A06退火温度为310～330℃。

经过以上分析，讨论确定进行5组共15个试件的焊接试验，分组情况见表5。

表5 焊接试验分组

2.6 试件焊接成型图

采用两种焊材并按照表4的焊接工艺参数进行焊接，试件表面成型见图1和图2。

图1 试件表面成型 （ER5356焊丝）

图2 试件表面成型（5A06母材焊丝）

从图1和图2可以看到，采用成品焊丝ER5356和5A06母材焊丝焊接完成的试件焊缝内外表面成型较好，表面宽度均匀，波纹均匀、细密，余高均匀一致，成型美观，未出现咬边、未熔合、焊瘤、焊穿、塌陷等缺陷。

3 性能检测

3.1 无损检测

对5组试件按照NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》（2018年修改版）进行100% RT检测，45张X光片检测结果全部为合格，且底片评定结果全部为I级片。

3.2 拉伸试验

在5组试件中每组取2个进行拉伸试验，结果见表6。

表6 试件焊接接头拉伸试验结果

从试验结果可以看出：

（1）同等试验条件下，采用ER5356成品焊丝焊接试件的抗拉强度低于采用母材5A06焊丝焊接试件的抗拉强度。

（2）同等试验条件下，焊后不进行退火热处理试件的抗拉强度低于焊后进行310～330℃退火热处理试件的抗拉强度。

（3）用母材5A06焊丝焊接的试件，焊丝不退火焊接试件的抗拉强度低于采用焊前退火焊丝进行焊接试件的抗拉强度。

（4）采用母材5A06焊丝焊接的试件，经焊后退火的焊接接头的抗拉强度≥315 MPa，符合NB/T47014—2011的规定。

从表1～3对比ER5556焊丝和ER5356焊丝的化学成分可知，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相沉淀均匀，提高合金的抗腐蚀性及强度，且确保合金的稳定性；Mg可显著提高合金强度同时保证材料塑性不过分降低。由于ER5356焊丝化学成分中的Mg、Mn含量与母材相差较大，导致焊接试件的抗拉强度低于用母材焊丝焊接试件的抗拉强度。

此次试验中用母材5A06焊丝焊接的试件，经焊后退火后其抗拉强度达到了要求，这也进一步证明试验方案是科学合理的。

3.3 弯曲试验

对5组试件的每组取4个试样分别进行面弯和背弯试验，全部合格。

4 试验遗留问题

NB/T47015—2011《压力容器焊接规程》的第5章推荐，铝镁合金5A06焊接的最匹配焊材为ER5556焊丝，其次为ER5356，但由于市场采购不到此种焊材，因此本次试验选用了可采购到的ER5356焊丝和由母材5A06加工而成的焊丝。从本次试验以及焊丝ER5556的化学成分看，ER5556的化学成分更接近母材，但采用ER5556焊丝进行焊接是否会出现试件抗拉强度低于母材的问题还无法预知，若今后有机会采购到ER5556焊丝后再进行对比试验，以供同行参考借鉴。

5 结论

（1）由于ER5356焊丝化学成分中的Mg、Mn含量与母材相差较大，导致焊接试件的抗拉强度低于采用母材加工的焊丝焊接的试件。

（2）采用TIG焊进行铝镁合金5A06的焊接时尽量选用Mg含量接近母材的焊材，因为Mg可显著提高合金强度。

（3） 铝镁合金5A06焊接试件经过310～330℃的焊后退火，可显著影响合金位错密度、再结晶晶粒数量并消除晶格畸变，细化晶粒，降低硬度和焊接应力，同时经过弥散强化，有效提高了焊接接头的力学性能。

（4）当焊接量较小且无法采购到ER5556焊丝时，建议选用由母材加工而成的焊丝进行焊接，且焊件经310～330℃退火处理后，能确保焊接接头性能符合标准要求。

本文试验结果数据有限，仅供同行参考。