換熱器管板堆焊不銹鋼的工藝改進(jìn)

周志華

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇無(wú)錫214151）

換熱器管板堆焊不銹鋼的工藝改進(jìn)

周志華

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇無(wú)錫214151）

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時(shí)易出現(xiàn)熱裂紋，分析其產(chǎn)生原因是：熔合比較大引起堆焊焊縫局部含碳量偏高、碳遷移引起堆焊焊縫形成增碳層、拉應(yīng)力的產(chǎn)生。改進(jìn)焊接工藝，包括焊材選用、焊接電流、焊接速度等，有效防止了熱裂紋的產(chǎn)生。

換熱器管板；堆焊；不銹鋼；熱裂紋

0 前言

換熱器常用于化工、能源、制藥等各行業(yè)，換熱器管板需要在一定腐蝕性環(huán)境下工作，因此，換熱器管板上需要堆焊一定厚度的不銹鋼層[1]，以防止腐蝕[2]。對(duì)于這類(lèi)異種材質(zhì)的堆焊，如果不能有效控制焊接質(zhì)量，極易引起泄漏，造成環(huán)境污染，引發(fā)安全事故等。

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時(shí)，普通的焊接工藝易產(chǎn)生焊接裂紋[3]，在此分析其產(chǎn)生原因，通過(guò)改進(jìn)焊接工藝來(lái)解決此問(wèn)題，主要包括焊材選用、焊接電流、焊接速度等方面。

1 換熱器管板的堆焊裂紋

兩種類(lèi)型換熱器管板的尺寸分別為φ1200mm× 30 mm、φ2200mm×60mm，如圖1所示。堆焊采用奧太埋弧焊機(jī)，型號(hào)MZ-1000，單絲，自動(dòng)焊；堆焊焊絲采用ER309（H12Cr24Ni13Si），焊劑HJ260；按照普通的焊接工藝，或很多企業(yè)在條件限制的情況下，焊前不預(yù)熱，埋弧焊小車(chē)按照直線路線行進(jìn)，從圓板中間開(kāi)始焊起，焊接工藝參數(shù)為：焊絲直徑4 mm，焊接電流450～500 A，焊接電壓33～34 V，焊接速度33～36 cm/min，電流種類(lèi)和極性選用直流反接。堆焊剛開(kāi)始時(shí)，在不銹鋼堆焊層中出現(xiàn)裂紋，隨后適當(dāng)減小或加大電流仍不能避免出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。

2 判斷裂紋和分析裂紋產(chǎn)生原因

焊接裂紋分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂。根據(jù)圖2中的裂紋外觀，肉眼可見(jiàn)，位置幾乎處于埋弧堆焊不銹鋼焊縫的中間，裂紋長(zhǎng)而直，并與焊縫平行，表面有氧化色彩，再根據(jù)裂紋在焊接過(guò)程中產(chǎn)生，判定為熱裂紋。

除去焊接清理、雜質(zhì)的因素，分析產(chǎn)生熱裂紋的原因主要如下：

（1）熔合比較大引起堆焊焊縫局部含碳量偏高。在16Mn母材上，采用埋弧堆焊ER309，其單絲自動(dòng)焊焊縫的熔合比為30％～60％，較大，因而母材、焊材金屬成分中雜質(zhì)含量對(duì)焊縫結(jié)晶裂紋傾向有很大關(guān)系，若雜質(zhì)較多或因偏析使局部C、S含量偏高，w（Mn）/w（S）可能達(dá)不到要求，產(chǎn)生熱裂紋。

圖1 換熱器管板

圖2 堆焊裂紋

（2）碳遷移引起堆焊焊縫形成增碳層。堆焊母材是16Mn鍛，組織為鐵素體+珠光體鋼；堆焊合金層的ER309不銹鋼的組織為奧氏體，由于異種鋼焊接時(shí)常出現(xiàn)碳遷移過(guò)渡層，碳從珠光體母材通過(guò)熔合區(qū)向焊縫擴(kuò)散，在靠近熔合區(qū)的珠光體母材上形成一個(gè)軟化的脫碳層，而在靠近熔合區(qū)的奧氏體焊縫中形成硬度較高的增碳層，因此，作為堆焊層的309奧氏體不銹鋼中會(huì)形成硬度較高的增碳層，局部含碳量增加，使w（Mn）/w（S）可能達(dá)不到要求，更易產(chǎn)生熱裂紋。

（3）拉應(yīng)力的產(chǎn)生。在堆焊過(guò)程中因局部加熱引起的熱應(yīng)力，再加上16Mn和309兩種鋼的熱膨脹系數(shù)不同引起的殘余應(yīng)力，這些拉應(yīng)力共同導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

3 焊接工藝的改進(jìn)

根據(jù)上述分析，在埋弧堆焊[4]方法不變，即熔合比不能大幅減小的情況下，要防止熱裂紋，可通過(guò)焊接材料調(diào)整焊縫金屬的成分，如降低C、Si含量或增加Mn含量等；還可通過(guò)工藝措施，如采用多層焊、控制焊接電流、加快焊接速度等，控制焊接變形和應(yīng)力。

3.1 焊材選用

由于母材成分已確定，因此只能重新選擇相匹配的焊材，考慮到熱裂紋產(chǎn)生原因是熔合比較大、碳遷移導(dǎo)致的局部碳含量增加，所以必須降低含碳量。選用的焊絲由ER309（H12Cr24Ni13Si）改為ER039L（H03Cr24Ni13Si），雖然都是不銹鋼焊絲，但后者的含碳量大為降低，可防止熱裂紋的產(chǎn)生。

3.2 工藝措施

（1）采用多層焊。在普通焊接工藝的基礎(chǔ)上，不焊前預(yù)熱，也不焊后熱處理，若采用一層堆焊，電流太大，難控制焊接熱變形與應(yīng)力，因此，采用兩層焊，單絲直線自動(dòng)焊。采用十字交叉法施焊，第一層從中間開(kāi)始焊，先焊右半圓，再焊左半圓；第二層堆焊焊縫與第一層焊縫垂直，依舊從中間開(kāi)始焊，先焊右半圓，再焊左半圓。

（2）控制每層焊接電流。在普通焊接工藝的基礎(chǔ)上，每層焊絲直徑不變，仍為4 mm，電流種類(lèi)和極性不變，仍為直流反接。兩層焊時(shí)，第一層的焊接電流和電壓稍小些，第二層的焊接電流和電壓可大些，兩層堆焊厚度約為6 mm。

（3）適當(dāng)提高每層的堆焊速度，減小熱輸入，降低焊接熱變形及應(yīng)力，從33～36 cm/min提高到38～43 cm/min。

對(duì)于兩種尺寸φ1200mm×30mm、φ2200mm× 60 mm的換熱器管板，母材越厚，堆焊電流就越大，兩種尺寸換熱器管板堆焊工藝參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 φ1 200 mm×30 mm的換熱器管板堆焊工藝參數(shù)

每一層焊完后，經(jīng)檢測(cè)合格，有效地防止了熱裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)焊接變形也控制在要求范圍內(nèi)，如圖3所示。

表2 φ2 200 mm×60 mm的換熱器管板堆焊工藝參數(shù)

圖3 工藝改進(jìn)后的堆焊焊縫

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時(shí)，按照普通的焊接工藝易產(chǎn)生焊接熱裂紋，主要有三個(gè)原因：熔合比較大引起堆焊焊縫局部含碳量偏高、碳遷移引起堆焊焊縫形成增碳層、拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)焊接工藝能有效防止熱裂紋的產(chǎn)生，主要包括：

（1）由ER309（H12Cr24Ni13Si）改為ER039L（H03 Cr24Ni13Si），降低含碳量。

（2）采用兩層焊，第一層的焊接電流和電壓稍小些，第二層的焊接電流和電壓可大些，均從中間開(kāi)始焊起，兩層焊縫垂直，適當(dāng)提高每層堆焊速度，減小熱輸入，控制焊接熱變形和應(yīng)力。

[1]倪昱，王順花.我國(guó)高壓換熱器管板（12Cr2Mo1R）堆焊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2014（12）：17-21.

[2]邱玲.不銹鋼堆焊層耐蝕性研究[J].熱處理技術(shù)與裝備，2008（6）：13-18.

[3]高春華，邢芳，劉斌，等.不銹鋼堆焊層裂紋的產(chǎn)生及解決措施[J].煉油與化工，2010（4）：38-39.

[4]李傳文.20MnMo厚板不銹鋼單絲埋弧焊的堆焊[J].焊接技術(shù)，2001（4）：57-58.

Technological improvement of stainless steel cladding of heat exchanger tube sheet

ZHOU Zhihua
（Wuxi School of Communications，Jiangsu Union Technical Institute，Wuxi 214151，China）

As stainless steel surfacing on the 16Mn heat exchanger tube sheet by submerged arc welding，there exists some cracks frequently.Analysis of the reasons are fusion caused by surfacing weld local containing carbon content，high carbon migration caused by surfacing weld formation of carburized layer and tensile stress and improve welding process，mainly including the selection of welding material，weldingcurrent,weldingspeed，etc，which effectivelyprevent the formation ofthe thermal crack.

heat exchanger tube sheet；cladding；stainless steel；hot crack

TG455

B

1001－2303（2016）06－0112-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.23

2015-09-14

周志華（1974—），女，江蘇常州人，副教授，碩士，主要從事材料工程焊接專(zhuān)業(yè)、職業(yè)教育的研究工作。