高通量管焊接工藝研究

李憲亮 劉立 劉志勝

高通量管焊接工藝研究

李憲亮 劉立 劉志勝

主要針對高通量管SA334 Gr6材料與管板16MnIII管頭的焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)，通過嚴(yán)格控制工藝過程，選用正確的焊接材料，達(dá)到了理想的焊接效果。

我公司承接了一臺φ2 100mm的固定管板換熱器設(shè)備，管程殼程主體材料為Q345R，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。換熱管材料為SA334 Gr6高通量換熱管，規(guī)格為φ19.05mm×2.11mm，共計(jì)6 318根換熱管。設(shè)備直徑比較大，換熱管數(shù)量比較多，并且換熱管為進(jìn)口材料，由用戶提供。SA334 Gr6是一種低溫用無縫和焊接的碳鋼管，與我國低溫用鋼管16MnD有一定的相似性。為此，在選用相應(yīng)的焊接材料時(shí)，要充分考慮其低溫性能要求。

1. 管板角焊縫焊接分析

換熱管和管板焊接接頭受載荷比較特殊，除了受管程和殼程壓力差外，還有管板變形，特別是固定管板換熱器還有溫度差。另外由于角接頭本身具有應(yīng)力集中，存在焊接應(yīng)力，并且管板為密集開孔，焊接時(shí)熱影響區(qū)大，應(yīng)力集中點(diǎn)多，裂紋產(chǎn)生的可能性很大，所以對焊接接頭提出了更高的要求。尤其是此臺設(shè)備為進(jìn)口材料，成本高，要求嚴(yán)，沒有任何返修的可能。為此，必須進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，保證焊接接頭的質(zhì)量。

另外，SA334 Gr6的碳當(dāng)量約為0.29%，由于碳當(dāng)量值較低，淬硬傾向小，室溫下焊接時(shí)不易形成冷裂紋，并且母材中S、P等雜質(zhì)元素的含量控制得很低，也不易產(chǎn)生熱裂紋，所以焊接性能優(yōu)良。

表 1

2. 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用材料為鍛件16MnIII，其主要化學(xué)成分如表2所示。根據(jù)鍛件標(biāo)準(zhǔn)NB/T47008—2010可知，16M n鍛件為正火狀態(tài)供貨，抗拉強(qiáng)度為470~620M P a，沖擊試驗(yàn)溫度為0℃，其合格值≥34J，所用試板尺寸為200mm×150mm×30mm（見圖1）。換熱管采用SA334 Gr6，規(guī)

格為φ19.05mm×2.11mm，主要化學(xué)成分如表3所示。

圖 1

（2）焊接材料 通過對兩種材料的分析，尤其對G r6材料的分析，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度值≥415M Pa，沖擊試驗(yàn)溫度為-50℃。經(jīng)查閱相關(guān)資料，最終選擇上海大西洋氬弧焊絲CHG—55C1R，φ2.0mm，其主要化學(xué)成分如表4所示。其抗拉強(qiáng)度值≥575MPa，沖擊試驗(yàn)溫度為-50℃，其合格值為≥47J。

存放焊絲的庫房應(yīng)具備干燥通風(fēng)環(huán)境，應(yīng)注意環(huán)境溫度及濕度。室內(nèi)溫度在5℃以上，相對濕度不超過60%，并離地面和墻壁要保持一定距離（≥300mm），室內(nèi)分類存放，并有明確的標(biāo)識和不得存放有害介質(zhì)。

3. 試驗(yàn)過程

（1）焊接與無損檢測 根據(jù)母材尺寸，截取10根長度為80mm的換熱管，使用拋光輪對其表面的燒結(jié)層進(jìn)行打磨，直至露出金屬光澤為止。對管板進(jìn)行拋光，綢布沾丙酮將坡口及每側(cè)擦洗干凈，火焰烘烤去除坡口及焊接區(qū)污物。

采用鎢極氬弧焊將管子與管板固定，采用Mastar TIC 400 DC數(shù)字式逆變脈沖氬弧焊機(jī)配水冷焊槍。調(diào)整好參數(shù)，通入氬氣保護(hù)，準(zhǔn)備定位。每個(gè)管口定位兩個(gè)焊點(diǎn)，呈180°夾角。焊點(diǎn)兩端與母材圓滑過渡，厚度＜2mm。

焊接時(shí)，采用99.99%的氬氣對焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，使其整個(gè)焊縫始終在氬氣的保護(hù)范圍內(nèi)。焊接采用多層焊，焊接節(jié)點(diǎn)如圖2所示。焊接參數(shù)如表5所示。

第一層施焊必須采用上坡焊（見圖3），并且隨時(shí)觀察管子與管板兩側(cè)的熔合情況。

第一層焊接完成后，首先觀察焊縫成形情況，焊縫均勻，焊紋細(xì)密，色澤光亮，之后按照J(rèn)B/T4730.5—2005進(jìn)行100%PT檢測， I級合格（見圖4）。確認(rèn)無缺陷以后，采用綢布清理干凈滲透檢測的痕跡，再使用火焰烘干表面后，開始第二層焊接。焊接完成后焊縫表面按照J(rèn) B/ T4730.5—2005進(jìn)行100%PT檢測，I級合格（見圖5）。

表2 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表 4

表5 焊接參數(shù)

圖 2

圖 3

圖 4

圖 5

（2）理化及金相檢測 管頭經(jīng)無損檢測合格以后，要進(jìn)行理化檢測。任取呈對角線位置的兩個(gè)管頭切開，兩切口互相垂直。切口一側(cè)面應(yīng)通過換熱管中心線，該側(cè)面即為金相檢測面，共8個(gè)試件，其中一個(gè)應(yīng)取自接弧處，焊縫根部應(yīng)焊透，不允許有裂紋、未熔合。試樣如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)，把管頭試樣焊縫全部浸入3%的硝酸溶液中5min后取出，用清水清洗。使用直尺測量焊縫的厚度，結(jié)果顯示平均值＞1.33mm，符合標(biāo)準(zhǔn)NB/ T47014—2011中附錄D標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，判定合格。

然后從換熱管母材上截取一段制備金相試樣。將準(zhǔn)備的試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用蔡司顯微鏡觀察，如圖7、圖8所示。由圖可看出，其組織為鐵素體+珠光體，珠光體均勻分布在鐵素體之間，成帶狀分布，母材組織穩(wěn)定。