摘要：深冷空分设备主要由铝镁合金制成的冷箱内核心塔器构成，其制造要求严格，焊接性能需多方面控制。文章针对铝镁合金5083材料常规焊接工艺存在的问题，设计了一套重熔焊接自动化装置，增加了镁铝合金TIG重熔自动化焊接，并制定了合适的焊接工艺。该工艺成功应用于实际生产中，解决了原工艺的外观成型不佳、返修率高、焊缝质量不稳定等问题。对比两种工艺的焊接试板，新工艺完全符合《铝制焊接容器》（JB/T4734-2002）标准，取得了显著效果。

　　关键词：铝镁合金；焊接工艺；焊缝重熔工艺

　　铝镁合金广泛应用于工业领域，是一种常用的轻质结构材料。特别是在航天航空、汽车制造及特种设备行业中被大量采用，其具有优良的抗蚀性与加工成型性能，又因同时具备良好的低温性能，所以在深冷压力容器中也有广泛应用。

　　铝镁合金（文中试验材料为5083）材料焊接，与合金钢和不锈钢材料焊接有本质差异。常规不锈钢材料传统焊接，焊接工艺采用两面分别焊接法，即正面焊接后，背面碳弧气刨清根、打磨修补、再焊接完成焊缝背面。而铝镁合金的特性不能采用背面碳弧气刨清根，大多采用双人双面立焊完成打底焊接，再由手工焊接完成填充和盖面施焊，实际生产中产品焊缝成型不一，RT探伤通过率不高，常伴有咬边、夹渣、气孔、未焊透、裂纹等缺陷，使得焊缝返修率居高不下。针对以上问题，有必要采用一种自动化装置，对焊缝进行重熔自动化焊接。通过对产品材料、生产工艺要求进行分析和研究，文章研发了一套重熔焊接装置及相关新工艺，该焊接工艺成功应用于生产制作实践，使产品探伤一次合格率大幅提高，产品焊缝一致性好、外形美观、操作方便、生产效率提升，工人劳动强度大幅降低。

　　1镁铝合金制深冷压力容器简介

　　1.1深冷压力容器简介

　　深冷技术一般是指温度在-100℃以下的制冷技术，广泛应用于工业和科研领域。在工业生产中，深冷技术主要用于气体液化和混合物分离，如液态氮、液态氧、液态天然气等的制备。由于深冷压力容器工作常处于恶劣的工况环境和复杂的操作条件下，对材料的耐腐蚀性和耐低温性提出了严格要求。在高压和低温等极端环境下，设备材料容易遭受腐蚀和疲劳破坏，从而导致设备性能降低和使用寿命缩短。

　　1.2铝镁合金材料

　　5083铝合金是常见的Al-Mg系合金，是不可热处理强化合金。该合金拥有中等强度、卓越的耐蚀性、出色的加工性能和焊接特性，被广泛用于船舶、汽车、飞机焊接件、LNG（液化天然气罐）、地铁轻轨及需严格防火的压力容器（如液体罐车、冷藏车、冷藏集装箱）、制冷装置、钻探设备等领域。

　　铝镁合金焊接特点包括：①在空气中极易氧化，母材表面易产生氧化铝薄膜。这种薄膜化学性质极为稳定且难以去除，并且一旦去除，很快又会重新形成，从而阻碍母材的熔合和熔化。由于氧化膜的密度较大，不易浮出表面，故易形成夹渣、未熔合、未焊透等焊接缺陷；②由于铝镁合金导热性、导电性大、热容量大，其热导率约为钢的4倍，焊接时，大量的热量被迅速传至金属内部，致焊接热损失，所以要有强热源进行焊接。为获得优质的焊接接头，应选用功率大且能量集中的能源，必要时也可采用预热等工艺措施。③液态铝合金可以溶解大量的氢，固态很难溶解氢。在焊接熔池快速冷却凝固过程中，氢来不及逃逸，极易形成氢气孔。④铝合金的线膨胀系数基本是非合金钢和低合金钢的2倍，凝固时的体积收缩率大，焊件的变形和应力大，因此，需采取措施预防焊接变形咱1暂。

　　1.3 TIG重熔自动化焊接

　　TIG重熔自动焊焊接工艺是指铝合金焊接过程中，利用钨极氩弧焊，钨极与被焊接工件之间产生的电弧热量为热源，将焊趾重新熔化。使可能存在的咬边、小夹渣等缺陷被清除，同时，形成过渡均匀的重熔区。该焊接技术显著改善了焊缝横截面的形状，减小了焊缝区应力集中，提高了焊接接头的疲劳强度。TIG重熔是改善焊缝成形、降低焊趾处应力集中的一种简单、有效的方法咱2暂。

　　2应用案例

　　2.1制造对象

　　脱氢塔，塔器筒体长度5654mm，直径900mm，筒体厚度22mm。容器类别为Ⅱ类，设计压力2.8MPa，设计温度-196℃,工艺介质为富氢气（主要含CH4、CO、H2），选用材质为5083-H112。根据图纸尺寸，将δ22mm5654mm长的筒体分为3个1500mm和1个1154mm长的筒节，设计、制造、验收标准为《铝制焊接容器》（JB/T 4734—2002）。焊接带有两块产品焊接试板，一块为未重熔试板，标记为试板一，另一块为重熔工艺试板，标记为试板二，用于实际生产不同工艺的质量评价。

　　2.2制造工艺

　　制造设备用材料为5083-H112铝镁合金板，产品试板规格：300mm伊250mm伊22mm，数量为2块，尺寸材质相同，随产品纵向焊缝延伸焊接。

　　A5083铝合金板及其焊接材料ER5183化学成分及力学性能，如表1、表2所示。

　　2.2.1焊接坡口

　　根据产品图纸尺寸，将δ22mm的筒体确定对接焊坡口形式，如图1所示。

　　2.2.2焊接设备

　　根据铝镁合金焊接特点和焊接方法，双面同步钨极惰性气体保护电弧焊选用WSME-500交流焊机，重熔焊采用专门设计用铝镁合金材料焊缝重熔专机，如图2所示。

　　2.2.3焊接工艺

　　（1）焊前清理与保护。由于铝镁合金表面质量直接影响焊缝质量，所以焊前必须对坡口表面进行清理。焊前应严格清除焊接区表面的氧化膜和油脂。要求如下：采用化学有机溶剂去除表面油脂，坡口两侧的清理范围应达到80mm。在清除油脂之后，使用不锈钢丝轮对坡口两侧进行清理，直至金属表面呈现光泽，且要定期更换所使用的钢丝轮。

　　（2）组装、定位、打底焊。在垂直状态进行装配，对口错边量小于等于4mm，定位焊缝长度80~100mm，间隔200mm。然后再整体平放，在焊缝立向上位置进行手工氩弧打底焊，边滚动边焊接。打底焊前，对有缺陷的定位焊缝进行清除，重新焊接，以保证焊缝质量。

　　（3）焊接工艺参数选择。由于铝镁合金焊接热损失较大，为避免焊接时冷却速度过快导致焊缝产生氢气孔，焊前对坡口附近80mm范围进行预热，预热温度100~150℃,层间温度控制在100~150℃。手工氩弧打底焊：采用ER5183（SAl5183）、Φ4.0打底焊接，手工氩弧焊参数：直径Φ4.0，焊接电流220～260A；氩气流量12~20L/min，氩气纯度99.999%。重熔焊参数：焊接电流I=420~425A，电压V=30~31V，焊接速度7~8m/h。摆动宽度12mm，左停0.3~0.5s，右停0.3~0.5s。

　　2.3试板的制备及测试

　　2.3.1试板外观目视检查

　　对比两种工艺的5083铝合金焊接对接接头的焊缝表面形貌，如图3所示，两块试板母材均完全熔透，重熔焊后焊缝表面成形良好，焊缝余高降低，一致性好，鱼鳞纹均匀分布，不存在咬边、未焊满、裂纹等缺陷。

　　2.3.2射线探伤检查

　　不同工艺的两件产品试件焊后均按《承压设备无损检测第2部分：射线检测》（NB/T47013.2—2015）标准进行射线探伤，检测技术等级为AB级。对焊缝进行100%进行射线探伤检查，Ⅱ级合格。

　　2.3.3拉伸力学试验

　　拉伸试验依据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）和《焊接接头拉伸试验方法》（GB/T 2651—2008）进行咱3暂，拉伸试样垂直于焊缝切取。拉伸试验在电子万能试验机SHT 4106型上进行，数据如表3所示，均位于焊缝位置。

　　2.3.4弯曲试验

　　弯曲试验是用于测定材料承受弯曲载荷时的力学特性，试验根据《焊接接头弯曲试验方法》（GB/T 2653—2008）咱4暂和《金属材料弯曲实验方法》（GB/T 232—2010）进行。垂直于焊接方向从板材上分别切两个侧弯试样，并去除试样正反面余高。弯曲实验同样在电子万能试验机SHT 4106型上进行，弯曲180毅，试样均未见裂纹。2.3.5金相检查

　　首先将两块试板接头部位的金相试样采取垂直焊接方向线切割取样，进行打磨、表面抛光等处理；接着在室温下将试件在酸性溶液中进行腐蚀（酸性溶液为氢氟酸（HF）+盐酸（HCl））的混合酸溶液，腐蚀时间为20~30s）；最后在光学显微镜下观察焊接接头的组织形貌。

　　3试验结果及讨论

　　产品及试件焊后按NB/T47013.2—2015对焊缝进行外观检查符合标准后，进行100%射线探伤检查，所有焊缝达到Ⅱ级合格。

　　3.1焊缝焊接成形外观检查

　　对产品焊缝进行外观检查，焊缝外观平直，鱼鳞纹清晰一致，余高、焊缝棱角度均符合JB/T4734-2002要求，肉眼无可见裂纹、飞溅、气孔、夹渣、弧坑等缺陷。

       3.2焊接试样力学性能分析

　　铝合金试件的抗拉强度均能符合材料标准，重熔后的力学性能和原工艺对比基本一致，重熔后的焊缝的抗拉强度有略微降低，但断后伸长率提高，断口均分布在焊缝上。

　　3.3焊接试件的弯曲性能试验

　　对5083铝合金焊接接头进行弯曲试验（20℃)。两块试板的焊接接头侧弯极限弯曲角度均能达到180毅，并且焊缝处宏观上未出现裂纹，证明焊接接头具有较好的塑性变形能力。

　　3.4焊缝组织的金相组织观察

　　焊接接头由母材、焊缝和热影响区组成。试板一为焊缝未进行重熔的焊缝组织金相，在α-Al基体中分布有黑色第二相，第二相的析出大小不一，呈片状和点状形态，且分布不均匀。试板二为焊缝进行重熔后的熔合区金相。不同的是经过TIG重熔后，第二相的析出较多，且分布均匀，呈小颗粒状均布在基体上。由此可见，焊接接头重熔后，第二相的析出形态及分布更均匀，使得焊缝区的力学性能稳定，更趋于一致，材料塑性更佳。在两块试板的金相组织观察中均未发现气孔，夹渣等缺陷。

　　4结论

　　综上所述，通过对材质为5083-H112铝镁合金筒体的焊接工艺分析和焊接生产实践，成功实现了筒体的双人立焊和焊缝重熔工艺。通过本次试验，对筒体焊缝及两块焊接试板按照NB/T47013.2进行射线检测，等级评定均达到Ⅱ级及以上，符合标准要求，焊缝表面按照NB/T47013.5进行渗透探伤，全部I级合格；焊缝的力学性能拉伸、弯曲均达到JB/T4734—2002材料标准要求；观察焊缝的金相组织表明：重熔后焊缝的金相组织均匀性更佳，有利于提高材料的塑性性能。重熔焊接自动化装置的设计使用，有效降低了焊缝余高，焊缝外观质量改善明显，可以有效预防因外形引起的应力集中产生；重熔焊接自动化装置的设计使用，使得焊缝打磨修整的工作量大幅降低，使得预期人工劳动强度得到改善，生产效率得到充分提高。

　　参考文献

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