5083铝合金TIG焊接缺陷产生机理及预防措施

2023-05-30武建朝姚渊汪小华赵刚马文军

机械制造文摘·焊接分册 2023年1期

武建朝姚渊汪小华赵刚马文军

摘要：在项目施工现场5083铝合金管道及设备的TIG焊接过程中，经常会出现气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，焊接缺陷的存在或焊缝多次返修处理不仅不能满足生产需求，甚至可能给化工装置的安全运行造成重大隐患。文章通过对施工过程中5083铝合金TIG焊接缺陷的产生原因进行了分析总结，并针对不同的焊接缺陷给出了相应的预防措施，有效降低了5083铝合金焊接缺陷的发生频率，提高了项目现场5083铝合金的焊接一次合格率，为后续5083铝合金焊接质量提升提供借鉴。

关键词： 5083铝合金；焊接缺陷；预防措施

中图分类号： TG 47

Formation mechanism and prevention measures of welding defects in 5083 aluminum alloy TIG

Wu Jianchao1， Yao Yuan1， Wang Xiaohua2， Zhao Gang2， Ma Wenjun2

（1. SHCCIG Yulin Chemical Co.， Ltd.， Yulin 719000， Shaanxi， China; 2. Shaanxi Xiyu Non-destructive Testing Co.， Ltd.， Yangling 712100， Shaanxi， China）

Abstract： In TIG welding process of 5083 aluminum alloy pipeline and equipment at the project construction site， there were often welding defects such as pores， cracks， inclusions， and so on. The existence of welding defects or repeated repair of welds could not meet the production requirements， and might even cause major hidden dangers to the safe operation of chemical plants. Causes of TIG welding defects of 5083 aluminum alloy during construction were systematically analyzed in the paper. Corresponding prevention measures for different welding defects were put forward， which effectively reduced the occurrence of 5083 aluminum alloy welding defects， and improved the first-pass rate of 5083 aluminum alloy welding at the project site. It provided reference for the subsequent improvement of welding quality of 5083 aluminum alloy.

Key words： 5083 aluminum alloy; welding defects; prevention measures

0 前言陜煤集团榆林化学180万吨/年乙二醇工程空分装置采用林德空分技术，该装置中冷分馏塔系统的高低压板翅式换热器、主冷凝蒸发器、下塔、上塔和工艺管道均采用5083铝合金材料进行加工与制造，而5083铝合金在项目现场焊接过程中频繁出现气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，这些焊接缺陷的产生不仅给焊接工人造成了困扰，同时给化工装置的安全运行也埋下一定隐患，为了更好的解决这一难题，通过对项目现场5083铝合金焊接缺陷产生原因进行了全面总结分析，并找出造成缺陷产生的主要因素，制定了相关措施，从而改善了现场5083铝合金的焊接质量。

1 5083铝合金物理和化学性能

1.1 物理性能

5083铝合金属于Al-Mg-Si系列铝合金，具有膨胀系数大、比热大、比强度高、抗疲劳强、塑性和韧性好，冷加工性能好、耐低温等诸多优点［1-3］，常用焊接方法主要为钨极氩弧焊（TIG），常温条件下的力学性能及物理性能见表1。

1.2 化学性能

5083铝合除以上物理特性外，还有以良好的工艺特性和化学性能，如良好的可焊接性能、耐大气、海水、有机酸、柴汽油、酒精腐蚀性等性能，但在长期高温环境下容易发生应力开裂，从而导致焊缝脆性断裂［4］，所以5083铝合金的工作环境温度一般不超过65 ℃。5083铝合金母材及5183焊丝的化学成分见表2。

2 主要缺陷产生机理分析

2.1 气孔产生的机理

5083铝合金在焊接过程产生气孔主要是本身的物理特性所决定的，在焊接高温电弧的作用下，氩气中的水分及焊丝和坡口处的油、污、锈、霜析出的氢原子就会迅速溶解到焊缝中，其溶解度可用以下公式表示：

S［H］=KPH2（1）

式中：S［H］为原子态氢的溶解度；PH2 为熔池上方的氢分压；K为平衡常数。由式（1）可见，焊接时，氢源中的氢浓度与氢分压成正比，氢浓度越大，越容易出现气孔。同时，铝的含量越高，产生的气孔概率越高，同条件下与Cu，Ni，Fe合金相比，铝合金焊接过程产生气孔的临界分压最低。因此，铝对氢气孔的生成也最为敏感。另外，由于铝的导热系数大，熔池的冷却速度也快，极不利于熔池内的氢气排出，这也是铝合金焊缝容易形成贯穿性气孔的主要原因［5］。

2.2 裂纹产生的机理

5083焊接过程发生的裂纹主要是其冶金特性所导致，也是铝合金焊接中最重大的焊接缺陷，主要为焊接过程的热裂纹或成形时拘束应力导致的应力裂纹［6］，铝合金的焊接热裂纹有2种，一种是焊接熔池凝固的结晶裂纹，主要出现在收弧的弧坑中央，熔池凝固过程中由于高温下金属的性能、形态和收缩应变随温度的骤降而发生。解决此缺陷可以在收弧时进行回弧或延长息弧及保护时间;另一种是液化裂纹，主要出现在焊缝与母材熔合线或层道间的熔合部位，在焊接加热时，与熔池相邻的过热区存在固液两相共存现象，并开始发生形态及性能变化，使熔合线部位的晶粒边界析出共晶物或晶粒未完全熔化而造成热裂纹，解决此类裂纹的方法可选用抗裂性能较好的ER5356焊材。

2.3 夹杂产生的机理

由于5083铝合金的化学性质非常活泼，在长时间与空气中的O2接触会形成Al2O3，另外在焊接时高温电弧的作用下，铝合金熔池边缘迅速也会形成Al2O3。已知5083铝合金的熔点约为570～640 ℃，而Al2O3 的熔点高达2 000 ℃，因铝合金焊接熔池凝固速度非常快，Al2O3夹杂在熔池中无法及时溶解到熔池中，同时也很难快速溢出到熔池表面，致使夹杂缺陷的产生。Al2O3夹杂不仅影响焊缝的力学性能，同时在超低温状态下会产生电化学腐蚀，导致焊缝的力学性能直线降低。因此，在焊接前使用有机溶剂清理坡口及焊丝表面的氧化物是非常有必要的，清理完成后等有机溶剂完全挥发干净后立即进行焊接。此过程需要认真把控，有机溶剂挥发不完全焊接会产生气孔，搁置时间太久又会形成氧化膜，焊接时形成夹杂，这里建议使用有机溶剂清理后30 min开始焊接，最长不超过2 h。

3 焊接工藝改进

针对施工现场5083铝合金TIG焊接过程中发现的焊接缺陷，从焊前准备、焊接工装、焊接工艺及焊接的接头形式4个方向进行了试验并总结改进，通过改进焊接质量得到了有效提高。

3.1 焊前注意事项

焊前准备阶段首先应对材料进行焊接工艺评定，在评定合格的基础上编制焊接工艺作业指导文件，该文件必须经项目技术负责人批准后才能用于现场施工。由于5083铝合金质地较软，所以施工区域需平铺橡胶板来防止划伤母材表面，切割下料和坡口制备宜使用机械进行加工，加工后的坡口表面应平整光滑无毛刺，尤其是支管焊口开孔更要认真检查表面质量。因铝合金焊接需要破除表面的氧化膜并快速消除焊枪余热，所以焊机应采用交流逆变水冷焊机，焊接的水路和气路必须保持通畅，气路宜采用吸湿性较小的聚乙烯塑料管，焊接时提前送气，以减少焊缝中的H含量，可有效减少气孔缺陷的发生。另外，5083铝合金焊接施工前要按照所施工的焊缝形式加工相应规格的衬环，同时应准备5%～10%的氢氧化钠溶液和丙酮有机溶剂，用于焊丝和坡口表面的清洗，化学试剂应严格按照危险化学品进行储存和管理。铝合金焊接场所还应保持干净清洁，并设有防风防雨措施，及时清理粉尘，防止发生闪爆事故。

3.2 焊接夹具改进

5083铝合金焊接过程中重点关注焊接工作本身，忽视了工装夹具对焊接质量的影响。经现场实践点接触形式工装可减小工装与工件的接触面积，降低焊缝热量的散失速度，使熔池的凝固速率降低，有利于熔池内的H溢出，间接地降低了气孔缺陷的产生。因此，专门设计了一款工装卡具，来克服接触面积过大和普通夹具损伤母材的缺点，该工装于2021年12月10日获得实用新型专利授权，专利号：ZL202121606032.8［7］，工装带有管道如图1所示。

3.3 焊接工艺改进

因钨极氩弧焊是煤化工施工现场最常用的铝合金焊接方法，其特点主要有热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，并且利用其“阴极雾化”自行去除氧化膜等。定位焊或正式焊接前，首先应在废旧的铝板上进行试验，将工艺参数调整到合适后，再转移到正式焊缝上进行焊接，焊前需提前送气5～10 s。定位焊的长度应根据实际焊缝的长度进行确定，防止定位焊缝过短造成焊缝撕裂，对于大口径的管道或设备可不增加衬垫，采用双人同步焊的方法来防止熔池下坠。当板厚大于10 mm时，起弧前应将坡口100 mm范围内的母材预热至100～150 ℃，焊接过程中焊丝端部不得离开焊枪的保护范围，在工艺评定允许的范围内宜采用大电流快速焊，单道焊道的厚度不得超过焊丝直径，宽度不得超过焊丝直径3倍，同时应观察熔池成形情况，并及时清理层道间夹杂物。钨极氩弧焊的焊接工艺参数见表3。3.4 接头形式改进

合理的焊接接头形式选择不仅能降低焊缝本身应力集中，更能有效地避免焊接缺陷产生，铝管道焊接接头形式一般分为对接接头和角接接头2种形式，但无论哪种接头形式都宜在背部增加不锈钢或铝衬垫，衬垫必须与焊缝背部严密贴合，如衬垫与管径不匹配，熔池根部金属就会外溢，会造成假象的未熔合缺陷。另外，铝合金角焊缝一般需要增加补强板，补强板焊接过程应适当减小电流，并在主管内部增加支撑，防止主管在焊接过程中发生烧穿或塌陷缺陷［8-9］。接头形式及衬垫安放位置如图2所示。

4 缺陷防止措施

铝合金焊接缺陷主要是在焊接过程中熔池凝固前发生的金属不连续、不致密等不良现象，缺陷的存在直接影响焊缝的强度和性能，但铝合金最常见的缺陷主要是气孔、裂纹及夹杂，其次为咬边、未熔合、未焊透、焊缝污染、成形不良等缺陷。焊接缺陷是无法完全消除或避免的，但是合理的组织及提前预防可以大大减少焊接缺陷的产生。首先来认识一组焊缝外观质量和内部缺陷，如图3所示，并根据不同的缺陷详细列出该种缺陷的防止措施。

气孔缺陷预防措施：

①清理待焊件及焊丝上的油、污、锈、霜和氧化膜，清理完成要晾晒干燥；②保证焊接作业环境符合规范要求；③焊前现在试板上检测氩气质量和焊接工艺参数；④合理选择焊接工艺参数和焊丝直径；⑤起弧时尽量压低电弧并保证喷嘴与工件的距离；⑥选择带有可调电流的高频焊机，收弧时进行二次熔焊；⑦焊接过程避免母材热量散失太快并适当进行保温。

裂纹缺陷预防措施：

①正确选择焊接接头形式并合理布置焊缝，合理选择焊接顺序；②规范进行收弧操作，确保收弧质量并做好自检；③合理选择焊接工艺参数严格执行多层多道焊；④规范进行技术交底，焊接前认真核对焊材使用是否正确；⑤严禁出现过烧现象。

夹渣缺陷预防措施：

①焊前认真清理工件表面，多道焊时，每次都要清理焊道；②在保证熔透的情况下，合理控制焊接电流；③适当降低焊接速度，提高电弧电压并采用含脱氧剂较高的焊接材料。

咬边缺陷预防措施：

①合理使用焊接工艺参数；②选择合适的焊丝直径和送丝速度；③认真操作确保熔池覆盖坡口外边缘1 mm以上。

未熔缺陷预防措施：

①使用氢氧化钠溶液或者电动工具及时清理层道间表面；②加大焊接电流、电弧电压，降低焊接速度；③焊接过程中及时调整焊接电流，加强焊工责任心。

未焊透缺陷预防措施：

①适当降低焊接速度，重新打磨钨极；②合理制备坡口角度，预留组对间隙；③增加电源稳压装置。

焊缝污染缺陷预防措施：

①及时清理钨极端部并保持干净；②焊接前将焊丝和坡口附近的杂物及氧化皮清除掉。