換熱器管板堆焊不銹鋼的工藝改進

周志華

（江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，江蘇無錫214151）

換熱器管板堆焊不銹鋼的工藝改進

周志華

（江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，江蘇無錫214151）

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時易出現熱裂紋，分析其產生原因是：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、拉應力的產生。改進焊接工藝，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，換熱器管板需要在一定腐蝕性環境下工作，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]。對于這類異種材質的堆焊，如果不能有效控制焊接質量，極易引起泄漏，造成環境污染，引發安全事故等。

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時，普通的焊接工藝易產生焊接裂紋[3]，在此分析其產生原因，通過改進焊接工藝來解決此問題，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，型號MZ-1000，單絲，自動焊；堆焊焊絲采用ER309（H12Cr24Ni13Si），焊劑HJ260；按照普通的焊接工藝，或很多企業在條件限制的情況下，焊前不預熱，埋弧焊小車按照直線路線行進，從圓板中間開始焊起，焊接工藝參數為：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，電流種類和極性選用直流反接。堆焊剛開始時，在不銹鋼堆焊層中出現裂紋，隨后適當減小或加大電流仍不能避免出現裂紋，如圖2所示。

2 判斷裂紋和分析裂紋產生原因

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

除去焊接清理、雜質的因素，分析產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含量對焊縫結晶裂紋傾向有很大關系，若雜質較多或因偏析使局部C、S含量偏高，w（Mn）/w（S）可能達不到要求，產生熱裂紋。

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，由于異種鋼焊接時常出現碳遷移過渡層，碳從珠光體母材通過熔合區向焊縫擴散，在靠近熔合區的珠光體母材上形成一個軟化的脫碳層，而在靠近熔合區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）可能達不到要求，更易產生熱裂紋。

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

3 焊接工藝的改進

根據上述分析，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，可通過焊接材料調整焊縫金屬的成分，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，考慮到熱裂紋產生原因是熔合比較大、碳遷移導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，可防止熱裂紋的產生。

3.2 工藝措施

（1）采用多層焊。在普通焊接工藝的基礎上，不焊前預熱，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力，因此，采用兩層焊，單絲直線自動焊。采用十字交叉法施焊，第一層從中間開始焊，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上，每層焊絲直徑不變，仍為4 mm，電流種類和極性不變，仍為直流反接。兩層焊時，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）適當提高每層的堆焊速度，減小熱輸入，降低焊接熱變形及應力，從33～36 cm/min提高到38～43 cm/min。

對于兩種尺寸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

每一層焊完后，經檢測合格，有效地防止了熱裂紋的產生，同時焊接變形也控制在要求范圍內，如圖3所示。

表2 φ2 200 mm×60 mm的換熱器管板堆焊工藝參數

圖3 工藝改進后的堆焊焊縫

16Mn換熱器管板埋弧焊堆焊不銹鋼時，按照普通的焊接工藝易產生焊接熱裂紋，主要有三個原因：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、拉應力的產生。

4 結論

通過改進焊接工藝能有效防止熱裂紋的產生，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，均從中間開始焊起，兩層焊縫垂直，適當提高每層堆焊速度，減小熱輸入，控制焊接熱變形和應力。

[1]倪昱，王順花.我國高壓換熱器管板（12Cr2Mo1R）堆焊技術發展現狀[J].裝備制造技術，2014（12）：17-21.

[2]邱玲.不銹鋼堆焊層耐蝕性研究[J].熱處理技術與裝備，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，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業、職業教育的研究工作。