换热管-管板四种组对坡口的焊接接头性能

王 颖 江苏省特种设备安全监督检验研究院

周建新 南京工业大学 机械与动力工程学院

换热管-管板四种组对坡口的焊接接头性能

王 颖 江苏省特种设备安全监督检验研究院

周建新 南京工业大学 机械与动力工程学院

选用氩弧焊工艺对10号钢换热管与16MnⅡ管板四种组对坡口形式（缩孔45°、缩孔U型、凸孔45°、平口45°）进行了焊接，并对其进行了拉伸及低周疲劳性能研究，对断后焊缝断面进行了显微形貌观察和微观组织分析。结果表明：四种组对坡口形式焊缝结合良好，无明显缺陷。缩孔和凸孔焊接试样拉伸性能相差不大，平口焊接试样略低；平口焊接试样抗疲劳性能优于凸孔焊和缩孔焊。因此四种组对坡口形式中平口焊接试样的接头性能最优。

换热管 管板 焊接 坡口

换热管与管板的连接方法主要有胀接、焊接和胀焊并用。胀接结构由于胀接变形存在较大的残余应力,易产生应力腐蚀, 而且在使用温度较高时, 由于材料的蠕变使胀接残余应力松弛, 引起接头松动或脱落造成泄漏。换热管与管板的端面焊接接头具有焊接、外观检查与维修方便等优点。

目前，国内外关于换热器换热管与管板的焊接的资料较多，但多为单一的连接方式，而换热管与管板不同组对位置和坡口形式的焊接系统研究的文献报道较少，特别是对换热管与管板的连接焊接头形式、接头尺寸、焊接工艺对焊接接头残余应力分布及金相组织结构的影响的研究报道更加缺乏。基于此，本文选取常见的φ25mm×2mm规格10号钢换热管与50mm厚16MnⅡ管板的焊接，对其四种组对坡口方式（缩孔45°、缩孔U型、凸孔45°、平口45°）的焊接接头性能进行系统研究，研究其焊接接头拉脱性能和抗疲劳性能的不同，并利用光学显微镜和扫描电镜分析焊接接头的微观组织形貌。

1 试验

1.1 试样尺寸

换热管采用的是φ25mm×2mm规格10号钢材料，管板为50mm厚16MnⅡ锻件。为了模拟换热器真实结构，本文按照GB151要求采用标准模拟试块，其具体尺寸如图1所示。换热管与管板具体的组对方式如图2所示。

图1 换热板模拟试板

图2 四种组对方式坡口

1.2 焊接工艺

10号钢换热管属于优质碳素钢，16MnⅡ管板属于低合金结构钢，10号钢换热管与16MnⅡ管板的焊接属于异种钢焊接，宜选用与合金含量较低一侧的母材相匹配的焊接材料，并要保证力学性能，其接头抗拉强度不低于两种母材标准规定值的较低者。根据生产经验和两种母材按照异种钢母材的化学成分、性能、接头形式和使用要求，选择手工氩弧焊焊丝为H08Mn2Si，氩气浓度需达到99.9%以上。施焊两层，第一层采用自熔的焊接方法，不加丝。第二层采用加丝的焊接方法。表1为10号钢换热管与16MnⅡ管板缩孔手工氩弧焊工艺参数。

表1 10号钢换热管与16MnⅡ锻件管板手工氩弧焊工艺参数

1.3 力学性能研究

采用Instron600万能拉脱试验机对不同组对坡口的10号钢换热管与16MnⅡ管板焊接试样进行了拉脱试验，拉伸速度是0.5mm/min。采用MTS 809A/T 250KN拉扭组合疲劳试验机对不同组对坡口的10号钢换热管与16MnⅡ管板焊接试样进行了疲劳试验。试验机静载荷精度为满量程±0.5%，动载荷振幅波动度为满量程±1%。试验动载荷类型为脉动拉伸疲劳，应力比R=0.1，加载频率f=0.3Hz，拉伸试验每种组对坡口取3个试验，疲劳试验每种组对坡口取5个试样，取其平均值作为最终疲劳次数。

1.4 显微分析

使用LEICADM6000M光学显微镜上对不同组对坡口的10号钢换热管与16MnⅡ管板焊接试样进行金相显微组织观察。疲劳试验后，采用线切割将新鲜断口切下，在丙酮溶液中超声清洗约15min，之后利用Apollo 300扫描电镜（SEM）进行微观断口分析。

2 结果与分析

图3为10号钢换热管与16MnⅡ管板不同组对位置和坡口条件下焊接试样显微形貌。可以看出，10号钢换热管与16MnⅡ管板焊接形貌良好，焊缝内无明显的裂纹和缺陷存在。然而，在换热管与管板的结合部位，有一些细微尖角，在拉伸过程中，容易导致应力集中。

图3 10号钢换热管与16MnⅡ管板不同坡口条件下焊接试样显微形貌

表2显示10号钢换热管与16MnⅡ管板不同组对位置和坡口条件下焊接试样的拉伸性能。可以看出，缩孔45°、缩孔U形焊接试样与凸孔45°焊接试样的拉伸性能相差不大，拉力分别为72.62MPa、 73.915MPa和73.406MPa，平口45°焊接试样最大拉脱力略低，但仍可达到68.365MPa。4种组对坡口条件下拉伸断裂发生在10号钢换热管下部，断口处有明显的颈缩变形。

表2 10号钢换热管与16MnⅡ管板不同组对坡口条件下焊接试样的拉脱性能

试验显示，10号钢换热管与16MnⅡ管板不同坡口条件下焊接试样的低周疲劳性能。可以得出平口45°焊接试样抗疲劳性能最好，平均循环次数达到366次，缩孔45°焊接试样次之，平均循环次数为280次，缩孔U形焊接试样与凸孔45°焊接试样疲劳次数分别为237次和203次。

3 结论

通过选取工业上常见的φ25mm×2mm规格10号钢换热管与50mm厚16MnⅡ管板焊接，对其四种组对位置和坡口形式（缩孔45°、缩孔U型、凸孔45°、平口45°）的焊接接头进行宏观检查、显微分析、力学拉脱性能试验，得出结论如下：

1）10号钢换热管与16MnⅡ管板四种组对坡口形式（缩孔45°、缩孔U型、凸孔45°、平口45°）焊接形貌均良好，焊缝内无明显的裂纹和缺陷存在。

2）缩孔45°、缩孔U形与凸孔45°焊接试样拉脱性能相差不大，依次分别为72.62MPa、73.915MPa和73.406MPa，平口45°焊接试样略低，仍达到68.365MPa。四种组对坡口条件下拉伸断裂发生在10号钢换热管下部，断口处有明显的颈缩变形。

3）10号钢换热管与16MnⅡ管板平口45°焊接试样抗疲劳性能最好，平均循环次数达到366次。

TIG welding process was used to connect 10# steel tubes and 16Mn II tube sheet with four groove types (Retracted 45°, Retracted U shaped, convex 45°and flat 45°). Tensile and low cycle fatigue testing were conducted. The microscopic morphology and microstructure of the cross section of rapture welds were analyzed. The experiment and analysis results show that four groove type welds connected well with no obvious defects. The tensile properties of welding specimens are almost the same. The fatigue properties of flat welding specimens are better than that of the retracted and convex ones. Thus flat welding specimens have the best performance among four types of groove joints.

Exchange tube Tube sheet Welding Groove

2013－09－27）