换热器制作中焊接缺陷影响及避免方法研究

屈文奇

摘 要：换热器是一种可以使不同温度的流体进行热传递的装置，换热器在当前的石油及化工、能源、交通、医学等方面应用广泛，同时换热器又因为密封盒承压的特性，可引起燃烧或者爆炸等特大事故，从而危及人民财产安全，所以换热器的焊接制造特别严谨重要。

关键词：焊接缺陷;焊接应力;焊接裂纹

1 换热器的焊接

换热器运行工况较为复杂，存在高温与低温条件，也可能承受压力条件，或者运行介质为腐蚀介质等，因此换热器的焊接制造自关重要，对焊接技术也有不同要求。换热器的焊接当前有自动焊接与手动焊接两种方式，其中因为设备结构的特殊性，手动焊接还是无法被自动焊接代替。手动焊接方便灵活，可以焊接结构特殊复杂机器无法焊接部位，但同时也会因为人为因素导致产生较大焊接缺陷。

2 焊接缺陷

2.1 未焊透

母材之间、母材与焊缝金属及多层间未被熔化，留有可见的空间或夹渣称为未焊透。该焊接缺陷安装其产生的部位及形成的原因，可分为根部未焊透、坡口为融合和层间未融合三种原因。主要产生的原因是焊接电流太小，焊接时焊接速度过快，焊条施焊时角度不当或电弧发生偏吹，焊接的坡口角度过小，焊接间隙过小，焊接散热过快，氧化物和熔渣阻碍间的充分融合等，都是导致焊接未焊透的主要原因。

2.2 焊接咬边

焊接咬边主要是减少基本金属截面积，使承载面积减少的一种缺陷，咬边属于形状突变，造成局部应力集中，在长期使用中易扩展。咬边的开口缺陷形成介质死区，在长期使用中由于介质引起的腐蚀，因此咬边的存在对换热器的强度、应力疲劳等均会造成不良结果。咬边时在焊缝边缘木材上受电弧烧融形成的凹槽，产生咬边的主要原因是焊接电流过大，以及焊接的速度不当，使凹型槽尺寸增大，焊条的熔化金属只能填充在弧坑的中部，从而在互坑的边缘形成洼穴。

2.3 焊接夹渣

焊接夹渣产生的主要原因是焊接的表面氧化物，层间熔渣没有清除干净，以及焊接电流过小，焊接速度太快，或者焊接坡口不正确，焊道熔敷顺序不当，操作手势不当等造成。焊接夹渣会导致减小焊缝的有效面积，降低焊接接头强度以及冲击韧性等。一般主要的放置措施是焊接过程中保持熔池的清晰、熔渣与业态金属良好分离。彻底清理坡口及两侧的油污、氧化物。接头线进行清渣和充分加热，收弧时要填满弧坑，将焊渣排除。

2.4 再热裂纹

再热裂纹时一些含矾、铬等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢，在经受一次焊接热循环后，在再次受加热的过程中（如消除应力退火、多层多道焊接机高温下工作等）产生的裂纹，也称消除应力裂纹，经常发生在500℃～700℃范围内的再加热过程中。再热裂纹很微细，用肉眼及X光检查都很难发现，产生于焊接热影响器的粗晶粒区，具有晶界断裂的性质，多发生于应力集中部位，在600℃附件裂纹的产生最为显著，断口一般均被氧化，在没有大的残余应力与应力集中源时，在热烈裂纹不易发生。低碳钢板厚度在32mm以上时才会产生，低合金钢容易产生在管喷嘴头焊缝边缘部位的粗晶区中。

除应严格控制母材和焊材中加劇再热裂纹的合金成分比例外，应在保证钢材热强度的前提条件下，将V、Cr等合金元素含量控制柜在最低容许范围外，焊接施工中必须改善粗晶区的组装，减少马氏体保证韧性，同时减少焊缝边区的应力集中，把堆高及衔结焊道的缝边部分及角焊缝不要重叠。有再热裂纹倾向的材料焊接应当在增加一次无损检测，以保证焊接质量。

2.5 延迟裂纹

延迟裂纹时冷裂纹的一种常见缺陷，它不在焊后立即产生，而在焊后的一段时间后产生，短则几个小时，长则几天或者更长的时间。延迟裂纹的产生一般倾向于屈服应力大于540MPa的材料，以及Cr-Mo的钢制设备。为避免延迟裂纹的出现，常用的避免措施是在焊接完成后的24h内进行有效的检验，然后进行焊后加热的方法进行处理。

3 焊接处理

3.1 焊缝余高

换热器时承压设备，焊接一般采用多道焊接，下一焊道对上一焊道起保温和缓冷作用，对消除焊接应力。改善组织性能有较好效果，因此焊缝余高相当于对最后一层强度焊道发挥了上述回火焊道作用。但焊缝余高相当于局部形状突变，引起应力集中，有可能是从余高边缘发生疲劳或脆性断裂的根源，因此超过标准规定的余高必须进行除去。因此根据标准要求，根据产品的质量重于性、安全性及封头成型的加工等，都要把余高除到与母材齐平，否则需要降低焊缝的系数。将余高去除可以使焊缝与母材表面平滑过渡，对消除形状突变与表面缺陷，改善容器应力状态，提高抗脆断与疲劳断裂有益。

3.2 焊后消氢处理

焊接过程中，来自焊条。焊剂和空气湿气汇总的氢气，在高温下呗分解成原子状态溶于液态金属中。焊缝冷却时，氢在钢中的溶解度急剧下降，由于焊缝冷却很快，氢来不及溢出留在焊缝金属中，过一段时间后，会在焊缝会在熔合线聚集。当聚集到一定程度是，在焊接应力的作用下，导致焊缝或热影响区产生冷裂纹，便是延迟裂纹。因此要求焊条预热，焊后对焊缝热至200℃，后热时间正常为16个小时，这样可有效降低焊缝冷却速度是氢充分溢出，这便是焊后消氢处理，这也是选用低氢型处理的原因。

3.3 焊接材料的选型

换热器的制造中涉及到不同种类的材料，以及不同强度级别异种钢焊接，所以焊接材料的选择也直接关系到焊接焊缝的质量。不同强度级别的低碳钢、低合金钢高强度之间的异种钢焊接，一般要求焊接接头的强度应不低于强度较低一侧母材标准规定的抗拉强度下限值，而接头的塑性、韧性应不低于强度较高而塑性、韧性较差的一侧。珠光体耐热钢与低碳钢、碳锰钢之间的异种钢焊接，一般采用中间合金成分的低氢碱性焊条，并根据其中焊接性能较差的一侧材料确定预热温度。奥氏体钢之间的焊接材料选型，应保证熔敷金属的Cr、Ni、Mo或Cu等主要合金元素的含量不低于母材标准规定的下限值。对于有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，应采用熔敷金属中含有稳定化学元素Nb（氩氟焊时，可含Ti），或保证熔敷金属含C小于0.04%的焊接材料。

4 焊接的影响因素

碳元素的焊接影响：钢材焊接时，焊缝热影响区被加热到Ac以上，快速冷却后会被淬硬，钢材的含碳量俞高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。钢的化学成分对钢淬硬性的影响通常折成碳含量，一般认为钢可焊接性好坏的临界碳当量0.45%。焊接时，焊缝区域由于高温作用灰引起晶粒长大从而增加焊后开裂的倾向;钢中加入细化晶粒和阻碍晶粒长大的元素，如Mo、Ti、V，且以AI脱氧时，有利于改善焊接性能，而C、Ni、Mn则会增加开裂的危险。

焊缝预热：焊缝预热的目的可以降低焊后冷却速度，它可以延长奥氏体转变温度范围内的冷却时间，降低淬硬倾向。有利于减小焊接应力，防止冷裂纹的产生。预热温度应根据碳当量来确定，还可以考虑焊接的化学成分、焊接拘束程度、材料高温力学性能以及工件的厚度等因素。预热的宽度应该为整个焊缝的横截面，并且延伸至焊缝每侧150mm。

局部热处理：局部热处理的有效加热范围应确保不尝试有害的变形，应扩大加热范围，例如对圆筒全周长范围进行加热，同时靠近加热区的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。同时奥氏体不锈钢复合钢板避免焊后热处理，主要是为了避免造成脱开效应、减弱抗剪强度、产生附加应力，对不锈钢复层造成碳化铬的析出，降低复层耐腐蚀性，以及晶粒粗化、降低韧性等。

5 结束语

本文详细介绍换热器焊接制造中的咬边。裂纹等焊接缺陷，同时也分析了产生焊接缺陷的原因以及焊接的影响因素。因为工业的不断发展，换热器的应用会越来越广泛，所以换热器的焊接制造要求也会越加严格，只有对焊接有深入的研究，最终才能避免因为焊接产生的质量问题。

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