換熱器制作中焊接缺陷影響及避免方法研究

屈文奇

摘 要：換熱器是一種可以使不同溫度的流體進行熱傳遞的裝置，換熱器在當前的石油及化工、能源、交通、醫(yī)學等方面應用廣泛，同時換熱器又因為密封盒承壓的特性，可引起燃燒或者爆炸等特大事故，從而危及人民財產安全，所以換熱器的焊接制造特別嚴謹重要。

關鍵詞：焊接缺陷;焊接應力;焊接裂紋

1 換熱器的焊接

換熱器運行工況較為復雜，存在高溫與低溫條件，也可能承受壓力條件，或者運行介質為腐蝕介質等，因此換熱器的焊接制造自關重要，對焊接技術也有不同要求。換熱器的焊接當前有自動焊接與手動焊接兩種方式，其中因為設備結構的特殊性，手動焊接還是無法被自動焊接代替。手動焊接方便靈活，可以焊接結構特殊復雜機器無法焊接部位，但同時也會因為人為因素導致產生較大焊接缺陷。

2 焊接缺陷

2.1 未焊透

母材之間、母材與焊縫金屬及多層間未被熔化，留有可見的空間或夾渣稱為未焊透。該焊接缺陷安裝其產生的部位及形成的原因，可分為根部未焊透、坡口為融合和層間未融合三種原因。主要產生的原因是焊接電流太小，焊接時焊接速度過快，焊條施焊時角度不當或電弧發(fā)生偏吹，焊接的坡口角度過小，焊接間隙過小，焊接散熱過快，氧化物和熔渣阻礙間的充分融合等，都是導致焊接未焊透的主要原因。

2.2 焊接咬邊

焊接咬邊主要是減少基本金屬截面積，使承載面積減少的一種缺陷，咬邊屬于形狀突變，造成局部應力集中，在長期使用中易擴展。咬邊的開口缺陷形成介質死區(qū)，在長期使用中由于介質引起的腐蝕，因此咬邊的存在對換熱器的強度、應力疲勞等均會造成不良結果。咬邊時在焊縫邊緣木材上受電弧燒融形成的凹槽，產生咬邊的主要原因是焊接電流過大，以及焊接的速度不當，使凹型槽尺寸增大，焊條的熔化金屬只能填充在弧坑的中部，從而在互坑的邊緣形成洼穴。

2.3 焊接夾渣

焊接夾渣產生的主要原因是焊接的表面氧化物，層間熔渣沒有清除干凈，以及焊接電流過小，焊接速度太快，或者焊接坡口不正確，焊道熔敷順序不當，操作手勢不當?shù)仍斐?。焊接夾渣會導致減小焊縫的有效面積，降低焊接接頭強度以及沖擊韌性等。一般主要的放置措施是焊接過程中保持熔池的清晰、熔渣與業(yè)態(tài)金屬良好分離。徹底清理坡口及兩側的油污、氧化物。接頭線進行清渣和充分加熱，收弧時要填滿弧坑，將焊渣排除。

2.4 再熱裂紋

再熱裂紋時一些含礬、鉻等合金元素的低合金高強度鋼、耐熱鋼，在經受一次焊接熱循環(huán)后，在再次受加熱的過程中（如消除應力退火、多層多道焊接機高溫下工作等）產生的裂紋，也稱消除應力裂紋，經常發(fā)生在500℃～700℃范圍內的再加熱過程中。再熱裂紋很微細，用肉眼及X光檢查都很難發(fā)現(xiàn)，產生于焊接熱影響器的粗晶粒區(qū)，具有晶界斷裂的性質，多發(fā)生于應力集中部位，在600℃附件裂紋的產生最為顯著，斷口一般均被氧化，在沒有大的殘余應力與應力集中源時，在熱烈裂紋不易發(fā)生。低碳鋼板厚度在32mm以上時才會產生，低合金鋼容易產生在管噴嘴頭焊縫邊緣部位的粗晶區(qū)中。

除應嚴格控制母材和焊材中加劇再熱裂紋的合金成分比例外，應在保證鋼材熱強度的前提條件下，將V、Cr等合金元素含量控制柜在最低容許范圍外，焊接施工中必須改善粗晶區(qū)的組裝，減少馬氏體保證韌性，同時減少焊縫邊區(qū)的應力集中，把堆高及銜結焊道的縫邊部分及角焊縫不要重疊。有再熱裂紋傾向的材料焊接應當在增加一次無損檢測，以保證焊接質量。

2.5 延遲裂紋

延遲裂紋時冷裂紋的一種常見缺陷，它不在焊后立即產生，而在焊后的一段時間后產生，短則幾個小時，長則幾天或者更長的時間。延遲裂紋的產生一般傾向于屈服應力大于540MPa的材料，以及Cr-Mo的鋼制設備。為避免延遲裂紋的出現(xiàn)，常用的避免措施是在焊接完成后的24h內進行有效的檢驗，然后進行焊后加熱的方法進行處理。

3 焊接處理

3.1 焊縫余高

換熱器時承壓設備，焊接一般采用多道焊接，下一焊道對上一焊道起保溫和緩冷作用，對消除焊接應力。改善組織性能有較好效果，因此焊縫余高相當于對最后一層強度焊道發(fā)揮了上述回火焊道作用。但焊縫余高相當于局部形狀突變，引起應力集中，有可能是從余高邊緣發(fā)生疲勞或脆性斷裂的根源，因此超過標準規(guī)定的余高必須進行除去。因此根據標準要求，根據產品的質量重于性、安全性及封頭成型的加工等，都要把余高除到與母材齊平，否則需要降低焊縫的系數(shù)。將余高去除可以使焊縫與母材表面平滑過渡，對消除形狀突變與表面缺陷，改善容器應力狀態(tài)，提高抗脆斷與疲勞斷裂有益。

3.2 焊后消氫處理

焊接過程中，來自焊條。焊劑和空氣濕氣匯總的氫氣，在高溫下唄分解成原子狀態(tài)溶于液態(tài)金屬中。焊縫冷卻時，氫在鋼中的溶解度急劇下降，由于焊縫冷卻很快，氫來不及溢出留在焊縫金屬中，過一段時間后，會在焊縫會在熔合線聚集。當聚集到一定程度是，在焊接應力的作用下，導致焊縫或熱影響區(qū)產生冷裂紋，便是延遲裂紋。因此要求焊條預熱，焊后對焊縫熱至200℃，后熱時間正常為16個小時，這樣可有效降低焊縫冷卻速度是氫充分溢出，這便是焊后消氫處理，這也是選用低氫型處理的原因。

3.3 焊接材料的選型

換熱器的制造中涉及到不同種類的材料，以及不同強度級別異種鋼焊接，所以焊接材料的選擇也直接關系到焊接焊縫的質量。不同強度級別的低碳鋼、低合金鋼高強度之間的異種鋼焊接，一般要求焊接接頭的強度應不低于強度較低一側母材標準規(guī)定的抗拉強度下限值，而接頭的塑性、韌性應不低于強度較高而塑性、韌性較差的一側。珠光體耐熱鋼與低碳鋼、碳錳鋼之間的異種鋼焊接，一般采用中間合金成分的低氫堿性焊條，并根據其中焊接性能較差的一側材料確定預熱溫度。奧氏體鋼之間的焊接材料選型，應保證熔敷金屬的Cr、Ni、Mo或Cu等主要合金元素的含量不低于母材標準規(guī)定的下限值。對于有防止晶間腐蝕要求的焊接接頭，應采用熔敷金屬中含有穩(wěn)定化學元素Nb（氬氟焊時，可含Ti），或保證熔敷金屬含C小于0.04%的焊接材料。

4 焊接的影響因素

碳元素的焊接影響：鋼材焊接時，焊縫熱影響區(qū)被加熱到Ac以上，快速冷卻后會被淬硬，鋼材的含碳量俞高，熱影響區(qū)的硬化與脆化傾向越大，在焊接應力作用下容易產生裂紋。鋼的化學成分對鋼淬硬性的影響通常折成碳含量，一般認為鋼可焊接性好壞的臨界碳當量0.45%。焊接時，焊縫區(qū)域由于高溫作用灰引起晶粒長大從而增加焊后開裂的傾向;鋼中加入細化晶粒和阻礙晶粒長大的元素，如Mo、Ti、V，且以AI脫氧時，有利于改善焊接性能，而C、Ni、Mn則會增加開裂的危險。

焊縫預熱：焊縫預熱的目的可以降低焊后冷卻速度，它可以延長奧氏體轉變溫度范圍內的冷卻時間，降低淬硬傾向。有利于減小焊接應力，防止冷裂紋的產生。預熱溫度應根據碳當量來確定，還可以考慮焊接的化學成分、焊接拘束程度、材料高溫力學性能以及工件的厚度等因素。預熱的寬度應該為整個焊縫的橫截面，并且延伸至焊縫每側150mm。

局部熱處理：局部熱處理的有效加熱范圍應確保不嘗試有害的變形，應擴大加熱范圍，例如對圓筒全周長范圍進行加熱，同時靠近加熱區(qū)的部位應采取保溫措施，使溫度梯度不致影響材料的組織和性能。同時奧氏體不銹鋼復合鋼板避免焊后熱處理，主要是為了避免造成脫開效應、減弱抗剪強度、產生附加應力，對不銹鋼復層造成碳化鉻的析出，降低復層耐腐蝕性，以及晶粒粗化、降低韌性等。

5 結束語

本文詳細介紹換熱器焊接制造中的咬邊。裂紋等焊接缺陷，同時也分析了產生焊接缺陷的原因以及焊接的影響因素。因為工業(yè)的不斷發(fā)展，換熱器的應用會越來越廣泛，所以換熱器的焊接制造要求也會越加嚴格，只有對焊接有深入的研究，最終才能避免因為焊接產生的質量問題。

參考文獻：

[1]鄭品森.化工機械制造工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[2]秦叔經，葉文邦.化工設備設計全書.換熱器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[3]董大勤，袁風隱.壓力容器與化工設備使用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4]林尚楊，于丹.壓力容器焊接新技術及其應用[J].壓力容器，2009（05）.