鋁鎂合金厚板TIG+MIG焊接缺陷原因分析

胡德友，董林海，翁昌樹，唐 林

（浙江智海化工設(shè)備工程有限公司 浙江 湖州 313219）

1 引言

鋁鎂合金因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、在低溫環(huán)境下能保持良好的力學(xué)性能，與不銹鋼相比，性價(jià)比高，所以在空分行業(yè)中被廣泛使用（空分塔器運(yùn)行溫度均在-165℃左右）。本公司作為空分塔器制造企業(yè)，年產(chǎn)五套60000m2/h空分塔器。其材料均為鋁鎂合金（5083和5052），其中低壓塔、主冷凝蒸發(fā)器、中壓塔均為18～30mm的厚板，為了保證焊接合格率及生產(chǎn)效率，故采用雙人雙面鎢極氬弧焊打底、MZ-1000焊機(jī)改裝的熔化極氬氣保護(hù)焊蓋面組合焊接（即TIG+MIG焊接）。但因鋁鎂合金的自身焊接性較差的特點(diǎn)，比較容易產(chǎn)生焊接缺陷，在本公司塔器制造過程中，鋁鎂合金最常見也是最多的三種焊接缺陷是焊接裂紋、層間坡口未熔合、焊接氣孔，本文主要是分析這三種缺陷產(chǎn)生的原因及提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

2 鋁鎂合金焊接裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

2.1 鋁鎂合金焊接裂紋產(chǎn)生的原因

鋁及鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接過程的加熱速度和冷卻速度都很快，鋁鎂合金在凝固過程中很容易在晶界上產(chǎn)生易熔共晶體。易熔共晶體的存在是產(chǎn)生熱裂紋的重要原因之一。

另外，鋁鎂合金高的線膨脹系數(shù)大（是普通碳鋼的2倍）、熱導(dǎo)率較高，在熔池凝固時(shí)及其容易產(chǎn)生縮孔從而使焊縫的內(nèi)應(yīng)力增加，從而很大程度地提高了熱裂紋產(chǎn)生幾率。鋁鎂合金裂紋見圖1。

圖1 鋁鎂合金裂紋

2.2 鋁鎂合金焊接裂紋的預(yù)防措施

鋁鎂合金焊接裂紋絕大多數(shù)屬于熱裂紋，根據(jù)鋁鎂合金熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，可以從冶金因素和工藝因素兩個(gè)方面進(jìn)行有效的預(yù)防。

（1）鋁鎂合金冶金方面：為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生晶間熱裂紋，在鋁鎂合金中加入微量元素的變質(zhì)劑，使材料的晶粒細(xì)化，提高材料的塑性和韌性，在焊接時(shí)能有效的減少熱裂紋傾向，達(dá)到防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生。本公司采購(gòu)的西南鋁業(yè)生產(chǎn)的5083和5052板材中就加入了少量的Ti元素作為變質(zhì)劑。

（2）焊接工藝參數(shù)的改進(jìn)

①采用熱量集中的方法，快速完成焊接過程，能有效的減少熱裂紋傾向。所以應(yīng)該采用小電流、較慢的焊接速度，可以減少熔池的過熱現(xiàn)象，從而達(dá)到減少熱裂紋傾向的目的。

②因鋁鎂合金強(qiáng)度高、剛性大，加之鋁合金本身的高熱導(dǎo)率，焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這也是裂紋產(chǎn)生的主要原因，因此在焊接前應(yīng)對(duì)坡100～150mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～150℃，預(yù)熱同時(shí)能減少焊接氣孔的產(chǎn)生；坡口50～100mm范圍內(nèi)需清理干凈，與焊接無關(guān)的夾雜也是是誘發(fā)裂紋的源頭，所以必須給予解決；焊接過程中，盡量采用連續(xù)焊接的辦法，若中途休息，重新焊接前需重新預(yù)熱，且之前的熄弧坑必須用機(jī)械方法進(jìn)行清除，因?yàn)榛】恿鸭y是鋁合金最常見且肉眼能看見的裂紋。

③合理的焊接順序是減少焊接裂紋最行之有效的辦法，因此在焊接過程中應(yīng)采取分段焊接來減少焊件變形及焊縫應(yīng)力，達(dá)到減少焊接裂紋的產(chǎn)生。

3 層間坡口未熔合產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

3.1 層間坡口未熔合產(chǎn)生的原因

本公司制造60000m2/h的其中一套低壓塔，該產(chǎn)品筒體板材厚度28mm，采用雙人雙面鎢極氬弧焊打底（TIG），MZ-1000焊機(jī)改裝的熔化極氬氣保護(hù)焊（MIG）蓋面，要求焊后縱、環(huán)縫100%RT、II級(jí)合格，結(jié)果顯示一次合格率僅為90%，與本公司質(zhì)量目標(biāo)95%相差5個(gè)百分點(diǎn)，其中一條環(huán)焊縫一次焊接合格率僅為50%，據(jù)同行業(yè)及以往經(jīng)驗(yàn)，焊接參數(shù)無疑異，決定從焊接過程開始著手解決，經(jīng)過一個(gè)星期的反復(fù)試驗(yàn)，終于找到原因，問題得以解決。重新正常焊接后，一次焊接合格率達(dá)到97%，得以解決。具體原因分析如下。

（1）本公司14mm以下的鋁鎂合金均采用采用雙人雙面鎢極氬弧焊焊接，一次合格率都在97%以上，所以排除打底焊層間未熔合的可能。

（2）用一塊28mm厚的5083板材，按低壓塔的焊接工藝開制坡口，同樣的電流、電壓以及焊接速度進(jìn)行焊接，只是打底焊和蓋面焊均采用MIG焊接，焊接完畢后RT檢測(cè)為I級(jí)片，所以MIG焊造成的坡口未熔合也能排除。

（3）經(jīng)過前面兩項(xiàng)的排除，產(chǎn)生坡口未熔的原因只能是打底焊與蓋面焊之間產(chǎn)生未熔合，經(jīng)觀察后發(fā)現(xiàn)，雙人雙面TIG焊接完成后，焊縫中心呈“凸”形，見圖片2,，導(dǎo)致焊縫邊緣與坡口形成焊接死角，當(dāng)采用MIG焊蓋面時(shí)未能將靠近坡口邊緣的死角處熔開，形成層間坡口未熔合。層間坡口未熔合見圖3。

圖2 焊縫呈凸形導(dǎo)致焊接死角

圖3 28mm厚鎂鋁合金層間未熔合

圖4 將TIG焊縫中心的的凸起部分用機(jī)械方法去除，讓焊縫呈凹形

圖5 MIG焊焊接氣孔

3.2 層間坡口未熔合的預(yù)防措施

經(jīng)過上文的原因分析，只要讓打底TIG焊縫邊緣與坡口處無死角，就應(yīng)該能解決此缺陷，所以當(dāng)雙人雙面TIG焊接完成后，將原來焊縫中心呈“凸”形的部分用機(jī)械方法去除，至少保證焊縫及焊縫邊緣等熔敷金屬厚度，最好是使焊縫中心的熔敷金屬厚度略低于焊縫邊緣地方的熔敷金屬厚度，讓其變?yōu)椤鞍肌毙我妶D4，這樣就能避免焊接死角，從而解決層間坡口未熔合的問題。果不其然，重新按原工藝參數(shù)正常焊接，一次焊接合格率高于公司質(zhì)量目標(biāo)。

4 鋁鎂合金焊接氣孔產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

4.1 鋁鎂合金焊接氣孔產(chǎn)生的原因

焊接時(shí)熔池中的氣體在凝固前不能及時(shí)逸處而留下來形成的空穴稱為氣孔見圖5，鋁鎂合金的氣孔多數(shù)為氫氣孔，鋁鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊縫熔池冷卻快，不利于氣泡的逸出，這是焊接產(chǎn)生氣孔的主要原因。

焊縫中的氣孔易引起焊縫應(yīng)力集中從而產(chǎn)生裂紋，圖一的裂紋就是因?yàn)楹附託饪讓?dǎo)致的，氣孔還會(huì)破壞焊縫金屬的致密性，減小焊縫有效截面積；過大的氣孔還會(huì)使焊縫的力學(xué)性能降低，尤其是焊縫的彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性，而空分塔器在低溫環(huán)境運(yùn)行中往往恰恰需要一定的韌性及剛性。因此標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013對(duì)氣孔也有明確要求。

鋁鎂合金焊接過程中氣孔是最容易出現(xiàn)的焊接缺陷，想要完全杜絕焊接氣孔很困難，但是良好的焊接習(xí)慣、合理的焊接工藝能有效的減少氣孔的產(chǎn)生。氣孔產(chǎn)生的原因有外部原因和內(nèi)在原因，外在原因主要是操作、環(huán)境方面的因素，內(nèi)在原因主要是材料、位置方面本身造成的結(jié)果。

（1）外部原因：焊接環(huán)境濕度過大導(dǎo)致的氣孔、焊接保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的氣孔、油污、灰塵、臟污導(dǎo)致的氣孔、操作不當(dāng)導(dǎo)致的氣孔等因素。

（2）內(nèi)部原因：焊絲含氫量高導(dǎo)致的氣孔、材料方面導(dǎo)致的氣孔、焊接時(shí)操作位置導(dǎo)致的氣孔。

4.2 鋁鎂合金焊接氣孔的預(yù)防措施

（1）外部原因?qū)е潞附託饪椎念A(yù)防措施

①焊接濕度不能超過80%，這一點(diǎn)JB/T4734也有明確的要求，尤其南方的梅雨季節(jié)，鋁鎂合金焊材無法保溫，所以領(lǐng)用采取多次少領(lǐng)的辦法。

②焊接前需對(duì)焊縫進(jìn)行100～150℃的預(yù)熱，尤其當(dāng)MIG焊蓋面過程中，焊工需實(shí)時(shí)控制好溫度；

③MIG焊接時(shí)盡可能不間斷的焊接完成整條焊縫，避免多的焊接接頭，鋁鎂合金產(chǎn)生的氣孔、裂紋大多數(shù)是在起弧及收弧地方，另外MIG焊時(shí)前，焊工需檢查焊縫兩側(cè)清理情況、焊絲是否充足、氬氣是否足夠等因素。

④氬氣純度必須達(dá)到99.99%，最好采用“杜瓦罐”盛裝的液體氬氣。

（2）內(nèi)部原因?qū)е潞附託饪椎念A(yù)防措施

①因?yàn)殇X鎂合金的焊接氣孔主要是氫氣孔，所以本公司采購(gòu)焊接材料時(shí)要求廠家按批次進(jìn)行含氫量檢測(cè)，避免材料含氫量高導(dǎo)致的氣孔。

②鋁鎂合金焊接時(shí)盡量減少橫焊，因?yàn)闄M焊會(huì)使焊縫上半端氬氣保護(hù)不夠，導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。

5 結(jié)語

本公司的18～30mm厚的鋁鎂合金，均采用TIG打底，MIG蓋面的焊接方式，目前焊縫一次合格率在95%以上。鋁鎂合金焊接缺陷的影響因素很多，厚板焊接時(shí)，應(yīng)注意每一個(gè)細(xì)節(jié)，從原材料的控制、焊前清理、層間清理、預(yù)熱溫度、機(jī)器設(shè)備、氬體純度等每一個(gè)環(huán)節(jié)都不能馬虎，尤其是TIG焊打底結(jié)束后MIG蓋面前的層間修磨尤其重要，只有將每一個(gè)細(xì)節(jié)抓好，才能有效的預(yù)防、減少焊接缺陷的產(chǎn)生。

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[2]李明奎.《接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及其防治措施》

[3]周萬勝，姚君山.《鋁及鋁合金的焊接》

[4]蔣百靈，李均明.鋁鎂合金微弧氧化處理技術(shù)的工程應(yīng)用[J]，新技術(shù)新工藝，2009年02期.