5083鋁合金TIG焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防措施

武建朝 姚淵 汪小華 趙剛 馬文軍

摘要： 在項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)5083鋁合金管道及設(shè)備的TIG焊接過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，焊接缺陷的存在或焊縫多次返修處理不僅不能滿足生產(chǎn)需求，甚至可能給化工裝置的安全運(yùn)行造成重大隱患。文章通過對(duì)施工過程中5083鋁合金TIG焊接缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析總結(jié)，并針對(duì)不同的焊接缺陷給出了相應(yīng)的預(yù)防措施，有效降低了5083鋁合金焊接缺陷的發(fā)生頻率，提高了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)5083鋁合金的焊接一次合格率，為后續(xù)5083鋁合金焊接質(zhì)量提升提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 5083鋁合金； 焊接缺陷； 預(yù)防措施

中圖分類號(hào)： 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 前言陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)180萬噸/年乙二醇工程空分裝置采用林德空分技術(shù)，該裝置中冷分餾塔系統(tǒng)的高低壓板翅式換熱器、主冷凝蒸發(fā)器、下塔、上塔和工藝管道均采用5083鋁合金材料進(jìn)行加工與制造，而5083鋁合金在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中頻繁出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，這些焊接缺陷的產(chǎn)生不僅給焊接工人造成了困擾，同時(shí)給化工裝置的安全運(yùn)行也埋下一定隱患，為了更好的解決這一難題，通過對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)5083鋁合金焊接缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行了全面總結(jié)分析，并找出造成缺陷產(chǎn)生的主要因素，制定了相關(guān)措施，從而改善了現(xiàn)場(chǎng)5083鋁合金的焊接質(zhì)量。

1 5083鋁合金物理和化學(xué)性能

1.1 物理性能

5083鋁合金屬于Al-Mg-Si系列鋁合金，具有膨脹系數(shù)大、比熱大、比強(qiáng)度高、抗疲勞強(qiáng)、塑性和韌性好，冷加工性能好、耐低溫等諸多優(yōu)點(diǎn)［1-3］，常用焊接方法主要為鎢極氬弧焊（TIG），常溫條件下的力學(xué)性能及物理性能見表1。

1.2 化學(xué)性能

5083鋁合除以上物理特性外，還有以良好的工藝特性和化學(xué)性能，如良好的可焊接性能、耐大氣、海水、有機(jī)酸、柴汽油、酒精腐蝕性等性能，但在長期高溫環(huán)境下容易發(fā)生應(yīng)力開裂，從而導(dǎo)致焊縫脆性斷裂［4］，所以5083鋁合金的工作環(huán)境溫度一般不超過65 ℃。5083鋁合金母材及5183焊絲的化學(xué)成分見表2。

2 主要缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 氣孔產(chǎn)生的機(jī)理

5083鋁合金在焊接過程產(chǎn)生氣孔主要是本身的物理特性所決定的，在焊接高溫電弧的作用下，氬氣中的水分及焊絲和坡口處的油、污、銹、霜析出的氫原子就會(huì)迅速溶解到焊縫中，其溶解度可用以下公式表示：

S［H］=KPH2（1）

式中：S［H］為原子態(tài)氫的溶解度；PH2 為熔池上方的氫分壓；K為平衡常數(shù)。由式（1）可見，焊接時(shí)，氫源中的氫濃度與氫分壓成正比，氫濃度越大，越容易出現(xiàn)氣孔。同時(shí)，鋁的含量越高，產(chǎn)生的氣孔概率越高，同條件下與Cu，Ni，F(xiàn)e合金相比，鋁合金焊接過程產(chǎn)生氣孔的臨界分壓最低。因此，鋁對(duì)氫氣孔的生成也最為敏感。另外，由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大，熔池的冷卻速度也快，極不利于熔池內(nèi)的氫氣排出，這也是鋁合金焊縫容易形成貫穿性氣孔的主要原因［5］。

2.2 裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

5083焊接過程發(fā)生的裂紋主要是其冶金特性所導(dǎo)致，也是鋁合金焊接中最重大的焊接缺陷，主要為焊接過程的熱裂紋或成形時(shí)拘束應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)力裂紋［6］，鋁合金的焊接熱裂紋有2種，一種是焊接熔池凝固的結(jié)晶裂紋，主要出現(xiàn)在收弧的弧坑中央，熔池凝固過程中由于高溫下金屬的性能、形態(tài)和收縮應(yīng)變隨溫度的驟降而發(fā)生。解決此缺陷可以在收弧時(shí)進(jìn)行回弧或延長息弧及保護(hù)時(shí)間;另一種是液化裂紋，主要出現(xiàn)在焊縫與母材熔合線或?qū)拥篱g的熔合部位，在焊接加熱時(shí)，與熔池相鄰的過熱區(qū)存在固液兩相共存現(xiàn)象，并開始發(fā)生形態(tài)及性能變化，使熔合線部位的晶粒邊界析出共晶物或晶粒未完全熔化而造成熱裂紋，解決此類裂紋的方法可選用抗裂性能較好的ER5356焊材。

2.3 夾雜產(chǎn)生的機(jī)理

由于5083鋁合金的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在長時(shí)間與空氣中的O2接觸會(huì)形成Al2O3，另外在焊接時(shí)高溫電弧的作用下，鋁合金熔池邊緣迅速也會(huì)形成Al2O3。已知5083鋁合金的熔點(diǎn)約為570～640 ℃，而Al2O3 的熔點(diǎn)高達(dá)2 000 ℃，因鋁合金焊接熔池凝固速度非常快，Al2O3夾雜在熔池中無法及時(shí)溶解到熔池中，同時(shí)也很難快速溢出到熔池表面，致使夾雜缺陷的產(chǎn)生。Al2O3夾雜不僅影響焊縫的力學(xué)性能，同時(shí)在超低溫狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致焊縫的力學(xué)性能直線降低。因此，在焊接前使用有機(jī)溶劑清理坡口及焊絲表面的氧化物是非常有必要的，清理完成后等有機(jī)溶劑完全揮發(fā)干凈后立即進(jìn)行焊接。此過程需要認(rèn)真把控，有機(jī)溶劑揮發(fā)不完全焊接會(huì)產(chǎn)生氣孔，擱置時(shí)間太久又會(huì)形成氧化膜，焊接時(shí)形成夾雜，這里建議使用有機(jī)溶劑清理后30 min開始焊接，最長不超過2 h。

3 焊接工藝改進(jìn)

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)5083鋁合金TIG焊接過程中發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷，從焊前準(zhǔn)備、焊接工裝、焊接工藝及焊接的接頭形式4個(gè)方向進(jìn)行了試驗(yàn)并總結(jié)改進(jìn)，通過改進(jìn)焊接質(zhì)量得到了有效提高。

3.1 焊前注意事項(xiàng)

焊前準(zhǔn)備階段首先應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，在評(píng)定合格的基礎(chǔ)上編制焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)文件，該文件必須經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后才能用于現(xiàn)場(chǎng)施工。由于5083鋁合金質(zhì)地較軟，所以施工區(qū)域需平鋪橡膠板來防止劃傷母材表面，切割下料和坡口制備宜使用機(jī)械進(jìn)行加工，加工后的坡口表面應(yīng)平整光滑無毛刺，尤其是支管焊口開孔更要認(rèn)真檢查表面質(zhì)量。因鋁合金焊接需要破除表面的氧化膜并快速消除焊槍余熱，所以焊機(jī)應(yīng)采用交流逆變水冷焊機(jī)，焊接的水路和氣路必須保持通暢，氣路宜采用吸濕性較小的聚乙烯塑料管，焊接時(shí)提前送氣，以減少焊縫中的H含量，可有效減少氣孔缺陷的發(fā)生。另外，5083鋁合金焊接施工前要按照所施工的焊縫形式加工相應(yīng)規(guī)格的襯環(huán)，同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備5%～10%的氫氧化鈉溶液和丙酮有機(jī)溶劑，用于焊絲和坡口表面的清洗，化學(xué)試劑應(yīng)嚴(yán)格按照危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行儲(chǔ)存和管理。鋁合金焊接場(chǎng)所還應(yīng)保持干凈清潔，并設(shè)有防風(fēng)防雨措施，及時(shí)清理粉塵，防止發(fā)生閃爆事故。

3.2 焊接夾具改進(jìn)

5083鋁合金焊接過程中重點(diǎn)關(guān)注焊接工作本身，忽視了工裝夾具對(duì)焊接質(zhì)量的影響。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐點(diǎn)接觸形式工裝可減小工裝與工件的接觸面積，降低焊縫熱量的散失速度，使熔池的凝固速率降低，有利于熔池內(nèi)的H溢出，間接地降低了氣孔缺陷的產(chǎn)生。因此，專門設(shè)計(jì)了一款工裝卡具，來克服接觸面積過大和普通夾具損傷母材的缺點(diǎn)，該工裝于2021年12月10日獲得實(shí)用新型專利授權(quán)，專利號(hào)：ZL202121606032.8［7］，工裝帶有管道如圖1所示。

3.3 焊接工藝改進(jìn)

因鎢極氬弧焊是煤化工施工現(xiàn)場(chǎng)最常用的鋁合金焊接方法，其特點(diǎn)主要有熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性高，并且利用其“陰極霧化”自行去除氧化膜等。定位焊或正式焊接前，首先應(yīng)在廢舊的鋁板上進(jìn)行試驗(yàn)，將工藝參數(shù)調(diào)整到合適后，再轉(zhuǎn)移到正式焊縫上進(jìn)行焊接，焊前需提前送氣5～10 s。定位焊的長度應(yīng)根據(jù)實(shí)際焊縫的長度進(jìn)行確定，防止定位焊縫過短造成焊縫撕裂，對(duì)于大口徑的管道或設(shè)備可不增加襯墊，采用雙人同步焊的方法來防止熔池下墜。當(dāng)板厚大于10 mm時(shí)，起弧前應(yīng)將坡口100 mm范圍內(nèi)的母材預(yù)熱至100～150 ℃，焊接過程中焊絲端部不得離開焊槍的保護(hù)范圍，在工藝評(píng)定允許的范圍內(nèi)宜采用大電流快速焊，單道焊道的厚度不得超過焊絲直徑，寬度不得超過焊絲直徑3倍，同時(shí)應(yīng)觀察熔池成形情況，并及時(shí)清理層道間夾雜物。鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù)見表3。3.4 接頭形式改進(jìn)

合理的焊接接頭形式選擇不僅能降低焊縫本身應(yīng)力集中，更能有效地避免焊接缺陷產(chǎn)生，鋁管道焊接接頭形式一般分為對(duì)接接頭和角接接頭2種形式，但無論哪種接頭形式都宜在背部增加不銹鋼或鋁襯墊，襯墊必須與焊縫背部嚴(yán)密貼合，如襯墊與管徑不匹配，熔池根部金屬就會(huì)外溢，會(huì)造成假象的未熔合缺陷。另外，鋁合金角焊縫一般需要增加補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板焊接過程應(yīng)適當(dāng)減小電流，并在主管內(nèi)部增加支撐，防止主管在焊接過程中發(fā)生燒穿或塌陷缺陷［8-9］。接頭形式及襯墊安放位置如圖2所示。

4 缺陷防止措施

鋁合金焊接缺陷主要是在焊接過程中熔池凝固前發(fā)生的金屬不連續(xù)、不致密等不良現(xiàn)象，缺陷的存在直接影響焊縫的強(qiáng)度和性能，但鋁合金最常見的缺陷主要是氣孔、裂紋及夾雜，其次為咬邊、未熔合、未焊透、焊縫污染、成形不良等缺陷。焊接缺陷是無法完全消除或避免的，但是合理的組織及提前預(yù)防可以大大減少焊接缺陷的產(chǎn)生。首先來認(rèn)識(shí)一組焊縫外觀質(zhì)量和內(nèi)部缺陷，如圖3所示，并根據(jù)不同的缺陷詳細(xì)列出該種缺陷的防止措施。

氣孔缺陷預(yù)防措施：

①清理待焊件及焊絲上的油、污、銹、霜和氧化膜，清理完成要晾曬干燥；②保證焊接作業(yè)環(huán)境符合規(guī)范要求；③焊前現(xiàn)在試板上檢測(cè)氬氣質(zhì)量和焊接工藝參數(shù)；④合理選擇焊接工藝參數(shù)和焊絲直徑；⑤起弧時(shí)盡量壓低電弧并保證噴嘴與工件的距離；⑥選擇帶有可調(diào)電流的高頻焊機(jī)，收弧時(shí)進(jìn)行二次熔焊；⑦焊接過程避免母材熱量散失太快并適當(dāng)進(jìn)行保溫。

裂紋缺陷預(yù)防措施：

①正確選擇焊接接頭形式并合理布置焊縫，合理選擇焊接順序；②規(guī)范進(jìn)行收弧操作，確保收弧質(zhì)量并做好自檢；③合理選擇焊接工藝參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行多層多道焊；④規(guī)范進(jìn)行技術(shù)交底，焊接前認(rèn)真核對(duì)焊材使用是否正確；⑤嚴(yán)禁出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

夾渣缺陷預(yù)防措施：

①焊前認(rèn)真清理工件表面，多道焊時(shí)，每次都要清理焊道；②在保證熔透的情況下，合理控制焊接電流；③適當(dāng)降低焊接速度，提高電弧電壓并采用含脫氧劑較高的焊接材料。

咬邊缺陷預(yù)防措施：

①合理使用焊接工藝參數(shù)；②選擇合適的焊絲直徑和送絲速度；③認(rèn)真操作確保熔池覆蓋坡口外邊緣1 mm以上。

未熔缺陷預(yù)防措施：

①使用氫氧化鈉溶液或者電動(dòng)工具及時(shí)清理層道間表面；②加大焊接電流、電弧電壓，降低焊接速度；③焊接過程中及時(shí)調(diào)整焊接電流， 加強(qiáng)焊工責(zé)任心。

未焊透缺陷預(yù)防措施：

①適當(dāng)降低焊接速度，重新打磨鎢極；②合理制備坡口角度，預(yù)留組對(duì)間隙；③增加電源穩(wěn)壓裝置。

焊縫污染缺陷預(yù)防措施：

①及時(shí)清理鎢極端部并保持干凈；②焊接前將焊絲和坡口附近的雜物及氧化皮清除掉。

焊縫成形不良缺陷防止措施：

①嚴(yán)格按照焊接工藝卡的參數(shù)進(jìn)行焊接；②保持均勻的焊槍擺動(dòng)速度和傾角；③選用熟練焊工完成焊接任務(wù)；④選擇合適的導(dǎo)電嘴孔徑［10］。

5 結(jié)論

（1）5083鋁合金在焊接過程產(chǎn)生氣孔主要是本身的物理特性所決定的，及時(shí)清理焊縫周圍的油、污、銹、霜可減少氫原子融入焊縫，合理的選擇工裝卡具可延長氫氣泡的逸出時(shí)間，兩者結(jié)合能有效降低焊縫中氣孔缺陷的產(chǎn)生。

（2）5083鋁合金焊接過程發(fā)生的裂紋主要是其冶金特性所導(dǎo)致，在焊接收弧時(shí)進(jìn)行回弧、延長息弧時(shí)的氬氣保護(hù)時(shí)間及選用抗裂性能更高的焊材可以改善焊縫結(jié)晶裂紋和液化裂紋的產(chǎn)生。

（3）焊縫夾雜缺陷的產(chǎn)生和表面清理不徹底關(guān)系很大，所以在焊接前使用有機(jī)溶劑清理坡口及焊絲表面的氧化物是非常有必要的，另外清洗后的焊縫宜在有機(jī)溶劑清理后30 min開始焊接，最長不超過2 h為最佳。

（4）焊接缺陷不能全部消除，但針對(duì)不同的焊接缺陷，采取積極有效的防止措施可大大減少焊接缺陷的發(fā)生，從而有效提高焊接一次合格率。

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收稿日期： 2022-11-21

武建朝簡(jiǎn)介： 學(xué)士，工程師；主要從事現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)質(zhì)量管理工作；wujc@shccig.com。