5754铝合金管道2G位置焊接接头组织与性能分析

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5754铝合金管道2G位置焊接接头组织与性能分析

广波魏付生张涛

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500KVGIL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(He99.999%)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《DINENISO10042-2006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206MPa,达到母材强度的101.5%,而2号试样的抗拉强度为200MPa,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.