雅砻江流域水电开发有限责任公司
0 前言
铝合金材料具有重量轻，比强度高，耐腐蚀等优点，被广泛应用于各行各业，某电厂500KV GIL出线管道采用直径为512mm，壁厚6mm的铝合金管道对接自动焊接而成[1-3]，垂直段、水平段均有布置。管道内部充满绝缘气体SF6，管道焊缝承受轴向压力和拉力，径向承受气体压力和剪切力。该铝合金管道材质编号为5754，焊接采用TIG自动焊，气体采用纯度为99.999%的氦气作为保护气体，焊丝采用型号ER5183，焊丝直径1.2mm。
厚度6mm铝合金管道自动焊工艺，在国内尚无应用先例以及成熟工艺，某厂自行采购设备，进行垂直段2G位置焊缝自主焊接工艺研发，并获得阶段性成功。
文中选用该厂直径为512mm的GIL铝合金（标号5754）管道作为试件，使用型号为ER5183（直径1.2mm）的焊丝，采用氦气（He 99.999%）保护，TIG自动焊，运用研发的焊接工艺，形成2G焊接样件，并对两种焊接接头的组织和性能进行分析。
1.1.1 焊前减少焊接缺陷的手段[4-5]
（1）采用切割精度较高的水平切割机对管道管口进行精确切割，保证对接间隙≤0.4mm。
（2）对精切的管口进行胀管，将管口内径由500mm扩大至516.5±0.5mm，以便在对接时安装焊接保护环。
（3）对管口进行去氧化层处理，用刮刀将管口内外两侧30mm范围以及端部氧化层刮除干净，露出金属本色，氧化层处理完成后，用丙酮去除待焊区域表面污渍。管口去氧化层后保留时间不得超过2小时。
（4）利用管道拉紧工装，在管道对接完成后，将两侧管道拉紧，避免焊接热变形导致管道对接间隙变大、错边量变大等情况。
（5）控制焊接区域相对封闭无风，湿度控制在90%以内。
（6）焊前将对接区域均匀预热至100℃-120℃。
1.1.2 焊缝自动焊接
待焊件温度降至85℃±3℃时，开始执行2G位置打底焊程序。打底焊完成后，用钢丝刷对焊缝进行清理，露出金属本色，执行2G位置盖面焊程序，焊接过程图如图2所示。
1.1.3 焊缝探伤
焊缝焊接完成后，对焊缝进行无损检测，检查结果符合《DIN EN ISO 10042-2006 焊接-铝及其合金弧焊接缝-缺陷评价组(D-C)》评级B级要求。
1.2试样制备
探伤完成后，制备拉伸试样、弯曲试样、及金相试样进行组织和性能的分析，拉伸试样形状和尺寸如图3 所示。
图3 试样形状和尺寸
2结果与分析
2.1焊接接头显微组织
截取5754铝合金焊接接头，经过磨制、抛光、腐蚀后，通过金相显微镜观察金相组织。图4 为5754铝合金焊接接头显微组织。
图4焊接接头显微组织
试样焊缝上部存在微裂纹缺陷，试样焊缝宽度为7.7mm，热影响柱状晶区宽度0.36mm热影响等轴晶区宽度为0.51mm。焊缝组织主要为α相Al+第二相Al3Mg2（沿柱状晶+等轴晶析出），组织较为致密，呈枝晶状，焊接效果良好。在焊接过程中，焊缝区的金属吸收大量的热而熔化，凝固时由于铝合金导热系数大，散热快，促进了焊缝区金属的快速凝固结晶，从而导致了焊缝区的晶粒细化；热影响区组织主要为α相Al+第二相Al3Mg2（沿柱状晶+等轴晶析出），组织比焊缝区的略微粗大，这是由于焊接接头的热影响区紧靠熔合区，受到较强的热循环作用，晶粒获得足够能量而发生聚集长大，因此热影响区的晶粒会有一定程度的粗化。母材组织主要为α相Al+第二相Al3Mg2，母材组织第二相颗粒主要为聚集、弥散分布的细小第二相颗及散乱分布的第二相大颗粒。
2.2焊接接头力学性能
2.2.1 焊接接头拉伸及弯曲性能
2.2.1.1 母材拉伸及弯曲性能
5754铝合金母材拉伸和弯曲性能如表2 所示。
从表3可以看出，从已焊接焊缝上选取的两个试样均断裂在焊缝区，断口可见明显夹渣、气孔等缺陷，可见在焊缝区域由于缺陷的存在有着相对最低的强度。其中1号试样的抗拉强度为206 MPa，达到母材强度的101.5%，而2号试样的抗拉强度为200 MPa，达到母材强度的98.5%。另外，采用上述工艺参数焊接的5754铝合金焊接接头具有相对优良的抗弯曲性能。所以，根据研发焊接工艺，焊接出的2G位置焊缝，满足《NB47014-2011承压设备焊接工艺评定》要求。
2.2.2 显微硬度
硬度试验能够评定焊接接头的硬化倾向，以及检测焊接接头的脆化程度。对此焊接接头进行HV10硬度测试，以焊缝中心为起始点，依次向热影响区及母材区测试其硬度。测试结果如表4所示。
从表4可以看出，焊接接头显微硬度以焊缝中心为对称近似轴对称分布，硬度在区间软过度，焊缝中心硬度大于母材，接头无软化现象，硬度在区间过度均匀。
3结论
(1)使用ER5813焊丝TIG 自动焊接直径512mm厚6mm铝合金（5754）管道，在该厂研发的2G自动焊接程序和工艺条件下，可以焊接出质量合格焊缝。
(2)5754铝合金焊接接头焊缝组织细小均匀，主要为α相Al 和第二相Al3Mg2相。热影响区组织相比焊缝区组织有一定的粗化。母材组织均匀，主要为α相Al和第二相Al3Mg2，母材组织第二相颗粒主要为聚集、弥散分布的细小第二相颗粒及散乱分布的第二相大颗粒。
(3)5754铝合金焊接接头力学性能良好，焊接接头的抗拉强度达到母材强度的98.5%以上，弯曲性能和拉伸性能均已达到国家标准要求，表现出良好的强度和塑性。硬度在区间软过度，焊缝中心硬度大于母材，接头无软化现象，硬度在区间过度均匀。
[参考文献]
[1]陈澄，薛松柏.5083铝合金TIG焊接头组织与性能分析［J］.焊接学报，第35卷第1期,2014年1月.
[2]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接第1 版［M］．北京: 机械工业出版社，2006.
[3]吴芳，铝及铝合金管的焊接技术.化工设备与管道，第44卷第3期，2007年6月.
[4]郑强，陈康华.浅谈铝合金的焊接［J］.铝加工，2003年第5期，总第152期.
[5]张勤练，李钊.铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制［J］.焊接学报，第38卷第2期，2017年2月.
论文作者:广波 魏付生 张涛
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/6
标签：铝合金论文; 试样论文; 组织论文; 管道论文; 硬度论文; 性能论文; 二相论文; 《中国西部科技》2019年第1期论文;