铝镁合金在焊接施工中常见缺陷的浅析和对策

铝镁合金在焊接施工中常见缺陷的浅析和对策

黎 明

（马钢修建工程公司设备制造二厂 安徽 马鞍山 243000）

摘要：本文通过对空分设备装置采用的铝镁合金的焊接性分析，得出铝镁合金焊接时产生气孔、未焊透、下凹、烧穿、组织疏松和热裂纹等缺陷的主要原因，针对产生的缺陷通过施工经验总结出了相应的解决措施。

关键词：铝镁合金；焊接；缺陷；对策

1.前言

空分装置采用的铝合金多数为5A02（LF2）和5183（LF4）铝镁合金。由于铝及其合金在焊接时无明显颜色变化、导热率高、热膨胀系数大以及在它表面很容易形成致密的氧化膜等特点，使得铝及其合金的焊接目前在我国和世界发达国家的焊接作业中仍然是一个重大课题。铝及其合金的焊接常见的缺陷主要有：气孔、根部未熔合、下凹、热裂纹、组织疏松与渗漏等。本文根据马钢30000m3/h的制氧机工程施工实践，重点介绍空分装置所用铝镁合金焊接时易产生的焊接缺陷及避免措施。

2.铝合金焊接性

2.1 铝合金分类

铝合金是在纯铝中适量加入各种合金元素后获得较高强度及其它性能的合金。按合金系列分类可分为工业纯铝，铝铜系，铝锰系，铝硅系，铝镁系，铝镁硅系和铝锌镁铜系列等；按工艺分类可分为变形铝合金和铸造铝合金[1]，其中铝镁系列的焊接性能和力学性能都比较好，常用于制造结构、压力管道及压力容器上。

2.2 铝镁合金特性

铝镁合金的熔点低，密度小，面心立方点阵结构，无同素异构转变，无“延

−脆”转变并有优异的低温韧性等一系列特性，被广泛应用到低温设备结构中。铝镁合金的强度随着含Mg%量的增加而增加，但随着Mg含量增多会出现脆性

β相（Mg2Al3），从而降低塑性。焊接时一般应控制含Mg量在5%以下，同时还应控制Si含量，防止生成Mg2Si这种脆性相物质[2]。

3．铝镁合金中常见的焊接缺陷产生原因及解决措施

铝镁合金中常见的焊接缺陷主要有气孔、根部未熔合、下凹及烧穿、过烧引起的组织疏松及渗漏和裂纹。 3.1产生气孔的原因及影响因素

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铝镁合金的焊接气孔主要是氢气孔。铝在液态时能大量的溶解和吸收氢，在熔融状态溶解度为0.69m1／100mg，而在高温凝固状态为0.036m1／100g，前后差19~20倍(碳素钢只有2.5~3倍) [2]。同时铝的导热系数又大，约为221.9w／(m.℃)，是碳素钢的5倍左右[3]，从而使得铝镁合金的焊接镕池在快速冷却过程中大量来不及逸出的氢就凝固在焊缝金属中形成气孔。 3.1.1 工件和焊丝表面氧化物的影响

铝镁合金和氧的亲和能力很强，在室温下会立即与空气中的氧结合，生成极薄的(0.1μm)的Al2O3和MgO，以极其致密的氧化膜牢固的附着在金属表面，并且大量的吸收结晶水，以熔点高、密度大的特点沉于熔池内参加熔池的高温化学反应和冶金过程，致使生成大量的气孔。 3.1.2 焊接线能量和焊接速度的影响

图1为正常的铝镁合金焊缝组织（焊接电流260A，双人双面焊）；图2为不正常的铝镁合金焊缝组织（焊接电流380A，双人双面焊）。比较图1与图2可发现焊接线能量(电流)的大小对焊缝组织影响较大。这是因为焊接线能量(电流)的大小和焊接速度的快慢直接关系到熔池存在时间的长短。当焊接速度过慢，电流过大，增加了熔池的氧化反应，会生成密集的小气孔和组织疏松现象，如图2所示。反之，电流过小，速度过快，缩短了熔池停留时间，不利于氧的逸出，会形成较大的气孔。严重时会形成“冻结”组织，因此合适的焊接线能量以及合适的焊接速度相配合，是获得优质铝镁合金焊接接头的关键。

图1焊接电流260A的铝镁合金焊缝组织 ×100 图2焊接电流380A的铝镁合金焊缝组织 ×100

3.1.3氩气的影响

氩气的纯度，尤其是水、氢、氧的含量是焊缝中产生气孔的重要因素。在

30000m3/h制氧机工程施工中发现，当氩气瓶未经干燥处理的氩气焊接时常常出现气孔，另当氩气纯度低于99.99%时焊缝周围布满气孔。氩气流速的选择也是至关重要的，当氩气流量过大，会产生一种保护气体的紊流现象，易将周围空气卷入，降低了氩气纯度，增加了产生气孔的起因；当流速过大同样会增加熔池的

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冷却速度，不利于氩气的逸出。反之，当氩气流量过小，会产生保护气体挺度不够的现象，使周围中的空气大量涌入，造成保护不良，会生成大量气孔及裂纹。 3.1.4焊口组对质量及焊接位置的影响

焊口组对间隙和错边量过大都会出现严重的根部氧化、单边过烧、单边熔合不良，增加了产生气孔的倾向。在横焊时，例如：主冷上塔上段现场组对焊接，由于氢在析出时受熔池凝固过程生成枝晶的阻碍，往往会出现大量连续的链状或密集形气孔在坡口上方。在焊接不锈钢−铝过渡接头时用毛巾覆盖过渡接头在毛巾上浇水冷却，由于水蒸气的影响，在仰焊位置会生存大量的氢气、氧气等，由于焊缝的成型阻碍了氢的逸出，常常在焊缝的根部会形成密集的气孔。 3.1.5解决气孔的相关措施

1) 严格认真的清理焊件、焊丝表面污物和氧化膜。尤其焊丝必须按规定进行清理打磨，防止氧化膜和结晶水的再生成。打磨好的坡口及焊丝应即时焊完，当24小时未施焊的宜重新打磨清理。

2) 严格执行工艺规程，大电流焊接时可以减少气孔产生的几率。施工中提倡大电流快速焊。

3) 采用合理的焊接位置，在管道预制时尽量采用滚动焊接，避免在仰焊位置焊接。对过渡接头

在安装时应在地面上将不锈钢段和铝合金段分别焊接好后在进行装配焊接，防止因用水冷却时产生的大量水蒸汽进入焊缝使气孔产生，特别在仰焊位置很难控制。另外，对焊接焊缝的坡口和间隙也应按规范执行。

4) 严格控制氩气的质量，应选择质量有保证的生产厂家，严格控制每瓶气中水、氢、氧的含量，供气厂家应对气瓶进行干燥处理以保证纯度不低于99.99%。在马钢30000m3/h制氧机工程施工中曾发生因气体纯度不够产生的密集性气孔分布在整条焊缝上，使整条焊缝切除重新焊接。 3.2 产生根部未熔合的原因及解决措施 3.2.1产生根部未熔合的主要原因

1) 焊件表面氧化膜清除不彻底,存在有油污等杂质，尤其是在焊口端面和背面。实验发现往往背面虽然焊得很透，但在凸出的焊肉上会形成夹缝形的熔合线；

2) 焊接电流小，能量不足，速度过快造成熔化温度不够而形成根部未熔合； 3) 组对后放置时间过长、错边超标，尤其是立焊和仰焊位置。此外，空分管道多数弯头厚度大于管材厚度，虽然有厚度过渡，但两边的单位体积不一样，致使导热和散热量也不一样，如果不注意焊丝位置和角度的焊接就很容易形成单边根部末熔合现象。

4) 当管壁厚度较厚时（30000m3/h空分管道使用的有壁厚16mm的铝合金管），当坡口角度过小，钝边过大或间隙不够时，也易产生未焊透现象。

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3.2.2解决根部未熔合的相关措施

在焊接前要认真清理坡口两侧，使其露出金属光泽；严格执行工艺规范合理选用焊接电流，当焊接壁厚δ>12mm管道时，焊接电流一般应大于300A，以保证有足够的焊接线能量来熔化金属；根据实际情况合理设计坡口形式；严格控制组对质量，确定错边在要求的范围内。 3.3 产生下凹及烧穿的原因及解决措施

3.3.1产生下凹及烧穿的主要原因

铝镁合金随着温度不断升高，自身的抗拉强度会越来越低；当温度上升到400℃时，它的抗拉强度仅为9.8N/mm2；当温度上升到接近熔化温度时，抗拉强度几乎为零，已承受不了它自身的重量，几乎没有一点塑性。熔化状态下的铝镁合金流动性又非常强。焊接时形成的熔池受力情况，如图3、图4所示。分析可知：熔融金属受重力F重，电弧推力F电弧和金属液体的表面张力F表的作用。

然而熔融金属的重力，决定于熔池金属量的多少；电弧推力，主要由电流大小决定；表面张力主要与金属种类和熔池表面状态有关。钨极氩弧焊时，熔池金属受到气体保护不易氧化，再加上保护气流的冷却作用，都使F表提高。在平焊位置时：当F电弧+ F重> F表时，工件将被烧穿；特别在仪表管线焊接时（尺寸为Φ12mm×1.5mm），由于管壁较薄，很容易产生烧穿；在仰焊位置时：F电弧+ F表< F重,就在焊缝表面形成焊瘤。在焊缝的背面，由于铝镁合金在液态的流动性很好，在重力作用下发生下凹现象。特别是在焊接管壁较厚的管道时，由于热输入大，使液态金属存在时间过长，形成内壁下凹。

F电弧 F表 F表 F表 F重 F电弧

F重 图3 平焊时熔池受力的情况 图4仰焊时熔池受力的情况

3.3.2解决下凹及烧穿的相关措施

1）在焊缝的背面加不锈钢垫片（也可加铝垫圈），以增加液态金属的表面张力；

2）对大管道可用先焊接内壁焊缝，再反面清根的办法来解决内凹； 3）对小管道在仰焊位置可采用多层多道焊，减少单层熔池金属的重量。 3.4产生过烧引起的组织疏松及渗漏的主要原因及解决措施

疏松与渗漏主要发生在空分装置的仪表管的焊缝上，在施工中返修仪表管的渗漏是一件很困难的事，在补焊仪表管线时要严格清理焊丝及焊缝周围，否则随

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着杂质的飘逸就会主要原漏点补好了，但旁边的焊缝又主要漏的现象。 3.4.1产生过烧引起的组织疏松及渗漏的主要原因

1)焊接速度过慢，熔池温度过高，使得镁和锌的蒸发(Mg：1107℃，Zn：907℃) 改变了组织结构；

2)仪表管尤其是连接套管(尺寸为Φ18mm×2mm，L=50~80mm)，由于截面积很小，导热小，热容量有限，所以焊接时很容易形成过烧；

3)在焊接时没有严格清理焊缝，套管内部有油污、氧化膜等杂质； 4)过热的必然结果就是结晶组织的氧化疏松现象的发生，在试压时就会发生渗漏。

3.4.2 解决过烧引起的组织疏松及渗漏的相关措施

严格清理焊件和套管的表面（包括套管内壁）；选用合理的焊接电流（一般电流控制在60~80A），在焊接时合理的应用焊机的衰减特性，得到不同的焊接热输入；为了防止过热还可以采用焊接半周后等待冷却到150℃以下时，再焊接另一半周；注意引弧位置，严禁在焊缝外引弧，以防止高频击穿套管；收弧时应填满弧坑。

3.5形成裂纹的主要原因及解决措施 3.5.1形成裂纹的主要原因

铝镁合金焊接时形成的裂纹主要是热烈纹。主要原因是铝镁合金在高温时强度低、塑性差，膨胀系数和收缩率大，使得焊接时在焊件中会产生较大的热应力和变形，从而在脆性温度区间内易产生热烈纹。 3.5.2解决裂纹的相关措施

1）在焊接铝镁合金时，选择焊丝中Mg含量比母材高1%~2%为宜；常用的； 焊丝为R5183（SAlMg-3）

2）在组对时采取自然组对，以减小焊缝的应力； 3）在焊接大型构件时应预热到100℃左右； 4）合理的控制层间温度，防止层间温度过高。

4 结 语

通过在马钢30000m3/h的制氧机工程的空分设备装置采用铝镁合金焊接施工实践，尽管在铝合金系列中铝镁合金的焊接性能较好，但在横焊、仰焊的位置上会产生不同的缺陷。除了与焊工操作手法及焊接技术有很大的关系，与采用的焊接工艺更有关。试验表明，在焊接铝镁合金时不要盲目追求大电流焊接和速度，对焊接电流的选用应根据构件的厚度及大小，厚而大的工件不但要选用大的焊接电流而且在焊接前应预热到100℃左右。焊接薄而小的管道要注意防止烧穿、下塌等问题。目前，超薄或超厚工件的焊接仍然是我们有待解决的一个难题。 参考文献：

1、 陈祝年编.焊接工程师手册.[M].北京：机械工业出版社， 2002. 2、 周振丰主编.焊接冶金学.[M].北京：机械工业出版社，2002.

3、 李亚江著.特殊及难焊材料的焊接.[M].北京：化学工业出版社，2003.

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