高通量管焊接工艺研究

李宪亮 刘立 刘志胜

高通量管焊接工艺研究

李宪亮 刘立 刘志胜

主要针对高通量管SA334 Gr6材料与管板16MnIII管头的焊接工艺进行试验，通过严格控制工艺过程，选用正确的焊接材料，达到了理想的焊接效果。

我公司承接了一台φ2 100mm的固定管板换热器设备，管程壳程主体材料为Q345R，设计参数如表1所示。换热管材料为SA334 Gr6高通量换热管，规格为φ19.05mm×2.11mm，共计6 318根换热管。设备直径比较大，换热管数量比较多，并且换热管为进口材料，由用户提供。SA334 Gr6是一种低温用无缝和焊接的碳钢管，与我国低温用钢管16MnD有一定的相似性。为此，在选用相应的焊接材料时，要充分考虑其低温性能要求。

1. 管板角焊缝焊接分析

换热管和管板焊接接头受载荷比较特殊，除了受管程和壳程压力差外，还有管板变形，特别是固定管板换热器还有温度差。另外由于角接头本身具有应力集中，存在焊接应力，并且管板为密集开孔，焊接时热影响区大，应力集中点多，裂纹产生的可能性很大，所以对焊接接头提出了更高的要求。尤其是此台设备为进口材料，成本高，要求严，没有任何返修的可能。为此，必须进行工艺性试验，保证焊接接头的质量。

另外，SA334 Gr6的碳当量约为0.29%，由于碳当量值较低，淬硬倾向小，室温下焊接时不易形成冷裂纹，并且母材中S、P等杂质元素的含量控制得很低，也不易产生热裂纹，所以焊接性能优良。

表 1

2. 试验准备

（1）试验材料 试验用材料为锻件16MnIII，其主要化学成分如表2所示。根据锻件标准NB/T47008—2010可知，16M n锻件为正火状态供货，抗拉强度为470~620M P a，冲击试验温度为0℃，其合格值≥34J，所用试板尺寸为200mm×150mm×30mm（见图1）。换热管采用SA334 Gr6，规

格为φ19.05mm×2.11mm，主要化学成分如表3所示。

图 1

（2）焊接材料 通过对两种材料的分析，尤其对G r6材料的分析，发现其抗拉强度值≥415M Pa，冲击试验温度为-50℃。经查阅相关资料，最终选择上海大西洋氩弧焊丝CHG—55C1R，φ2.0mm，其主要化学成分如表4所示。其抗拉强度值≥575MPa，冲击试验温度为-50℃，其合格值为≥47J。

存放焊丝的库房应具备干燥通风环境，应注意环境温度及湿度。室内温度在5℃以上，相对湿度不超过60%，并离地面和墙壁要保持一定距离（≥300mm），室内分类存放，并有明确的标识和不得存放有害介质。

3. 试验过程

（1）焊接与无损检测 根据母材尺寸，截取10根长度为80mm的换热管，使用抛光轮对其表面的烧结层进行打磨，直至露出金属光泽为止。对管板进行抛光，绸布沾丙酮将坡口及每侧擦洗干净，火焰烘烤去除坡口及焊接区污物。

采用钨极氩弧焊将管子与管板固定，采用Mastar TIC 400 DC数字式逆变脉冲氩弧焊机配水冷焊枪。调整好参数，通入氩气保护，准备定位。每个管口定位两个焊点，呈180°夹角。焊点两端与母材圆滑过渡，厚度＜2mm。

焊接时，采用99.99%的氩气对焊接区域进行保护，使其整个焊缝始终在氩气的保护范围内。焊接采用多层焊，焊接节点如图2所示。焊接参数如表5所示。

第一层施焊必须采用上坡焊（见图3），并且随时观察管子与管板两侧的熔合情况。

第一层焊接完成后，首先观察焊缝成形情况，焊缝均匀，焊纹细密，色泽光亮，之后按照JB/T4730.5—2005进行100%PT检测， I级合格（见图4）。确认无缺陷以后，采用绸布清理干净渗透检测的痕迹，再使用火焰烘干表面后，开始第二层焊接。焊接完成后焊缝表面按照J B/ T4730.5—2005进行100%PT检测，I级合格（见图5）。

表2 化学成分（质量分数） （%）

表3 化学成分（质量分数） （%）

表 4

表5 焊接参数

图 2

图 3

图 4

图 5

（2）理化及金相检测 管头经无损检测合格以后，要进行理化检测。任取呈对角线位置的两个管头切开，两切口互相垂直。切口一侧面应通过换热管中心线，该侧面即为金相检测面，共8个试件，其中一个应取自接弧处，焊缝根部应焊透，不允许有裂纹、未熔合。试样如图6所示。试验时，把管头试样焊缝全部浸入3%的硝酸溶液中5min后取出，用清水清洗。使用直尺测量焊缝的厚度，结果显示平均值＞1.33mm，符合标准NB/ T47014—2011中附录D标准的规定，判定合格。

然后从换热管母材上截取一段制备金相试样。将准备的试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，用蔡司显微镜观察，如图7、图8所示。由图可看出，其组织为铁素体+珠光体，珠光体均匀分布在铁素体之间，成带状分布，母材组织稳定。