铝合金厚壁压力容器的半自动MIG焊及其应用

铝合金厚壁压力容器的半自动MIG焊及其应用

潘春兰

(杭州杭氧股份有限公司空分厂,浙江 杭州 310004)

摘要：文中叙述了铝及铝合金的化学物理性能、焊接性、半自动MIG焊及其在铝合金厚壁压力容器产品上的应用。结果表明：除了设计恰当焊接坡口，选择合理的焊接参数外，选择杂质含量少的适配焊丝，适当预热可减少、杜绝气孔缺陷。

关键词：铝及铝合金的焊接性;半自动MIG焊;焊接气孔

0 前言

铝及铝合金具有良好的耐腐蚀性，较高的比强度，导电性及导热性好等优点，在航空、航天、汽车、机械制造、电工及化学工业中已大量应用。铝及铝合金的MIG焊焊接性良好，如能控制好焊接气孔缺陷，便可用于铝制厚壁压力容器的焊接。文中首先通过试样焊接予以证实，然后为例示产品制定正确的焊接工艺，并以合适的焊接参数施焊，获得了满意结果。

1 母材性能

铝的化学活泼性强，与空气接触时，会在其表面生成一层致密的Al2O3薄膜，这层氧化膜可防止硝酸及醋酸的腐蚀，耐腐蚀性好，如加入一些硅、铜、镁、锌等合金元素后，可获得不同性能的合金，铝合金的抗低温性能也很好。如铝镁合金和铝锰合金，它们的特点是强度中等，塑性及耐蚀性好，故通常称为防锈铝，焊接性好，是目前铝合金焊接结构中应用最广的铝合金材料。特别是机械行业的空分设备，属深冷技术产品，主要的塔体容器均采用铝镁合金，如5083-H112，其抗拉强度Rm可达270～275 MPa。铝镁合金也广泛用于石化产品中，较之不锈钢在比强度和性价比上有较大优势，已在空分和石化设备中广泛使用。以前铝合金的焊接大都采用手工操作，如手工氩弧焊，但随着产品设备的越来越大，越来越厚，手工氩弧焊的焊接方法已不再适合了。壁厚30 mm以上的材料，因铝合金的导热系数、比热容等都很大，约比钢大一倍多，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到母材内部，因此焊接时比钢要消耗更多的热量。为获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，使焊枪钨棒容易烧损，需采用预热，甚至需边焊边热等工艺措施，给焊接时带来很多麻烦。因此纯手工氩弧焊已不再适合较厚的铝合金材料，直径大的铝合金容器，可采用自动MIG焊焊接，但如石化产品，往往是压力高，直径小，壁厚(30 mm以上)及经过压制的厚壁容器封头(因要压制不宜采用焊接功率大的自动MIG焊)，采用熔化极半自动氩弧焊可以弥补以上缺陷。

2 焊接工艺性分析

2.1 铝合金MIG焊

熔化极半自动氩弧焊是利用焊丝与工件间产生的电弧作热源将金属熔化的焊接方法。焊接过程中，电弧熔化焊丝和母材形成的熔池及焊接区域在惰性气体氩或氦的保护下，有效地阻止周围环境空气的有害作用。用焊丝作为电极，用氩气作为保护气体，电源采用直流反接，使热量集中，但电弧功率又没有自动MIG焊的大。熔化极半自动氩弧焊有很多优点，操作方便，能焊接各种位置的焊缝和不同厚度的铝合金，特别是焊接中厚板容器接管角焊缝更有着明显的优势。但由于铝及铝合金对焊接气孔特别敏感，尤其在使用杂质含量较多的国产焊丝，故用于压力容器的A,B类承压焊缝时有一定的困难。为此笔者成立攻关组，经过反复试验和研讨,终于使问题迎刃而解，并顺利应用到产品中。

2.2 气孔产生机理及解决措施

熔化极半自动氩弧焊焊接时产生的缺陷主要是气孔，而气孔生成机理是很复杂的。由于铝与氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3薄膜，这层氧化膜还会吸附水份。而产生气孔的最重要因素是氢，属氢致扩散气孔，由于铝及铝合金的物理本质特征，使得它们在液态时可溶解相当量的氢，而在固态时几乎不能溶解，因此在熔池的结晶和冷却过程中氢无法及时逸出，而残留在焊缝内形成气孔。

2.2.1 氢的来源

氢的来源有以下几个方面:在焊材和母材中溶解的氢；焊材和母材表面的氧化膜、油污、水分等；保气氛中的氢和水份；在保护条件不完善时卷入电弧气氛中的空气所带有的氢和水分。

2.2.2 气孔控制措施

待焊区的清理工作完善与否是控制焊接气孔的基础,母材坡口及其两侧以及焊丝必须去油、去污，表面氧化膜需用铲刀、铣刀等工具予以去净，使之露出金属本色；空气相对湿度宜控制在70%以下，空气相对湿度较高以及工件壁厚较大时，焊前在焊接区须进行预热，预热温度一般在100 ℃左右；工件壁厚较大时以采用多层焊或多层多道焊为宜；宜选用杂质尽可能少的焊丝(进口焊丝常优于国产焊丝，如牌号为5083母材，可选用ER5183，φ1.6 mm焊丝)和≥99.99%的高纯氩作为保护气体。

3 焊接工艺试验

3.1 焊接材料

母材规格为35 mm×250 mm×400 mm，牌号为5083-H112,化学成分见表1。焊丝化学成分见表2。

表1 5083-H112的化学成分(质量分数，%)

元素SiFeCuMnMgCrZnTiNa杂质单个杂质合计标准值≤0.40≤0.40≤0.100.40～1.04.0～4.90.05～0.25≤0.25≤0.15—≤0.05≤0.15实测值0.080.220.0410.784.500.0860.0310.0360.0005≤0.05≤0.15

表2 ER5183 (φ1.6 mm)化学成分(质量分数，%)

元素SiFeCuMnMgCrZnTiBeAl标准值≤0.40≤0.40≤0.100.50～1.04.3～5.20.05～0.25≤0.25≤0.15≤0.0003余量实测值0.070.100.000.604.80.070.000.010.0000—

3.2 焊接工艺

焊接坡口如图1所示。正反面均用多层多道焊，打底层(1，2层)1道，中间层(3，4层) 2道，覆盖层3道。打底层焊前应预热80～100 ℃，并控制好层温不超过100 ℃(即后道焊缝须待前道焊缝冷却到100 ℃以下时方能施焊)；为减少焊接变形，宜两面交叉焊。如可在正面焊至壁厚约一半时翻转试件，焊接背面焊缝，然后再次翻转试件，焊完正面另一半焊缝。焊接参数见表3。

图1 焊接坡口

表3 焊接参数

焊接方法母材牌号填充金属规格d/mm电流种类与极性焊接电流I/A焊接电压U/V保护气体(Ar)气体流量Q/(L·min-1)熔化极半自动氩弧焊5083-H1121.6直流反接240～29024～2999.99%25～30

3.3 试件检验

按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》规定，检验项目包括：外观检查、无损检测、拉伸和弯曲试验。

检验结果显示,焊缝外观成形良好，无咬边、气孔等表面缺陷；2张RT片均I级片，符合JB/T 4730.2—2005《射线检测》要求。

试件力学性能试验结果见表4和表5，各项指标都符合要求。试验结果显示，试件各指标合格。

表4 试件力学性能试验结果

试样编号横截面积S/mm2抗拉强度Rm/MPa断裂部位B681-1391.4285焊缝内B681-2392.8285焊缝内

表5 弯曲试验结果侧弯

试样编号试样厚度/mm弯心直径/mm弯曲角度(°)试验结果B681-1106S180合格B681-2106S180合格B681-3106S180合格B681-4106S180合格

4 产品焊接实例

4.1 压力容器封头焊接

椭圆型标准封头：母材5083-H112(GB/T 3880—2006)，规格φ3 500 mm×30 mm，展开为φ4 150 mm，按板幅宽度须三块拼接(有两条纵焊缝)；焊丝ER5183, φ1.6 mm；开不对称X型坡口(图2)，坡口角正面60°，背面为90°；焊前预热约100 ℃以驱尽水份，增加熔池停留时间，便于气体逸出；采用多层多道焊，正面先焊，焊后翻转焊件，以圆盘锯铲根并修磨后进行背面焊接。焊后进行100%RT检测，26张片子均符合JB/T4730.2—2005《射线检测》要求，其中I级片20张，II级片6张。

图2 不对称X形坡口

4.2 厚壁压力容器接管角焊缝的焊接

手工钨极氩弧焊(TIG焊)电弧功率小，焊接生产率低。如加大电流，易导致钨极烧损、剥落：如提高预热温度，则会使焊工操作困难。故中厚壁铝及铝合金接管实以半自动MIG焊为宜。焊接坡口形式如图3所示，焊前清理同3.2，焊前可不预热。操作要求为：外侧(正面)先焊 3～4层，坡口较宽处宜采用多道焊；内侧(背面)焊前须经铲根并修磨。焊接参数见表3。焊后经100%着色检测，可达到JB/T 4730.5—2005I《射线检测》焊缝要求。

图3 角焊缝坡口

5 结论

熔化极半自动氩弧焊在条件允许范围内可以代替手工氩弧焊在铝制压力容器中的焊接，特别是小直径厚壁容器的纵环焊缝和须经压制的封头纵焊缝的焊接，经无损检测可以达到JB/T4730.2—2005II要求，也能代替手工氩弧焊在容器接管角焊缝的焊接，经100%着色检测，可以达到JB/T 4730.5—2005I的要求，在受压件与非受压件间的结构件角焊缝的焊接，更有着其明显的优势，效率可提高2倍以上。必须指出，除了设计恰当焊接坡口，选择已经验证的合理焊接参数以外，选择含杂质较少的适配焊丝(经多年实践，多数进口焊丝的质量要优于国产焊丝，当然，相应价格也较高)、适当预热和焊接区的充分清理都是减少及至杜绝气孔的有较手段。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2版第1卷： 焊接方法及设备[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2版第2卷：材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2003.

潘春兰简介： 1963年出生;从事焊接工艺研发工作。

Semi-automatic MIG welding and application for aluminium alloy thickness plate pressure vessel

Pan Chunlan

(Hangzhou Hangyang Co.,Ltd.,Hangzhou 310004, Zhejiang, China)

Abstract：This paper describe chemical and physical properties, weldability semi-automatic MIG welding and application of aluminum and its alloy for thickness plate pressure vessel.The results show that in addition to designing the proper welding groove and selecting reasonable welding parameters, choosing the welding wire with less impurity content and proper preheating can reduce or eliminate the porosity defects.

Key words：weldability of aluminium and its alloy;semi-automatic MIG welding;welding porosity

中图分类号：TG422

收稿日期：2015-08-17