S22253雙相不銹鋼管板與S30408鋼換熱管手工TIG填絲焊接工藝研究

宋小東

德陽東汽電站機械制造有限公司 四川德陽 618200

1 序言

隨著科技的高速發展，換熱器已廣泛應用于國內各個生產領域，換熱器與人們的生活息息相關。換熱器顧名思義就是用來熱交換的機械設備。管殼式換熱器由一個殼體和許多管子的管束構成，冷熱流體之間通過管壁進行換熱。S22253雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點，它具有高強度、良好的沖擊韌度，以及良好的整體和局部的抗應力腐蝕能力，被廣泛應用于工業換熱器。換熱器管板與換熱管的焊接質量好壞直接影響換熱器的正常運行。為此，本文對S22253雙相不銹鋼管板與S30408鋼管手工TIG填絲焊接工藝方法進行研究分析，以便改進與提高設備的制造質量。

2 焊接工藝

2.1 材料介紹

本試驗選用管板為S22253雙相不銹鋼鍛件加工而成，換熱管為S30408鋼，規格為φ25mm×2mm,其化學成分見表1。

通過表1對母材化學成分的分析，S22253雙相不銹鋼中Cr、Ni、N含量較S30408鋼高，正因為這幾種元素的存在，雙相不銹鋼有更好的耐蝕性和塑性。其中，N元素可以穩定奧氏體，在焊接熱循環下最大程度地壓縮鐵素體的存在空間，從而加強了雙相不銹鋼的耐蝕性和塑性。

2.2 焊接材料及焊接方法的選擇

選用與管板S22253雙相不銹鋼化學成分相同的焊接材料，這樣可以確保各種金屬元素在焊接熱循環之中，保持相當的比例平衡[2]，焊材中Ni含量相對母材要高，可以使焊接過程中焊縫Ni含量增加，保證焊縫及周圍區域的塑性、耐蝕性及力學性能。本文焊接工藝評定選用的焊材是陜西威聯焊接技術有限公司生產的H03Cr22Ni8Mo3N、φ1.6mm焊絲，其化學成分見表1。

表1 管板、換熱管、焊絲的化學成分（質量分數） （%）

選用了合適的焊接材料，焊接方法也很重要，母材都含有較高的Ni元素，適合選用氬弧焊，由于管壁較厚，不宜選用自熔焊。為了得到良好的焊接接頭和性能，本工藝評定選用填絲焊接方式。

2.3 管板與鋼管接頭形式

為了滿足管板與換熱管的焊縫質量及產品的性能要求，管孔邊緣加工了2mm×45°坡口，并要求了2.5mm的焊腳，接頭形式如圖1所示。

圖1 管板與換熱管接頭形式

2.4 焊接條件

鎢極材料及規格：鈰鎢極φ1.6mm；設備：松下直流TIG弧焊電源 YD-400TX，采取直流正接；保護氣體見表2；焊接參數見表3。

表2 保護氣體參數

表3 焊接參數

3 試驗程序

1）管板采用S22253雙相不銹鋼鍛件加工成150mm×110mm×50mm的試板，無損檢測合格。

2）制備換熱管，長度為80mm。

3）管板加工出10個φ25.25mm試驗用孔，排列布置如圖2所示。

圖2 試板管孔布置

4）用清洗液清理干凈管板孔周圍及管端長20mm處表面的油污、灰塵等。

5）換熱管與管板裝配，管子與管板垂直，管段伸出長度為3～5mm。

6）采用表3中焊接參數施焊，控制層間溫度＜150℃，制得試板。

7）焊后測量管內孔收縮量。

8）按NB/T 47014—2011附錄D換熱管與管板焊接工藝評定和焊接工藝附加評定宏觀金相取樣要求進行取樣，制備金相檢驗試樣8個，檢查斷面質量，測量焊腳厚度。

9）從管板焊接接頭切取規格為10mm×5mm×1.5mm的晶間腐蝕試樣，依據GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體 （雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的E—銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗方法，用掃描電鏡觀察金相來判定晶間腐蝕傾向。

4 試驗結果

1）對焊件進行目視檢測，焊縫外觀圓滑美觀，焊肉飽滿無凹坑，成形良好，無焊瘤、裂紋、氣孔、咬邊及夾渣等缺陷，實物如圖3所示。焊后接頭焊縫表面有部分氧化，附有金黃色金屬色氧化薄膜，用不銹鋼刷清理去除后露出銀白色金屬光澤，符合評定要求。

圖3 焊件實物

2）根據NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測》規定進行檢測，焊件質量達Ⅰ級要求，評定合格。

3）對焊后10個管內孔收縮量檢查符合要求，檢查結果見表4。

表4 管內孔收縮量檢查結果 （mm）

4）宏觀金相及角焊縫厚度檢查，觀察8個試樣截面的宏觀金相，焊縫根部未見裂紋和未熔合等缺欠，試樣如圖4所示。8個試樣角焊縫厚度測定結果見表5。

表5 試樣角焊縫厚度測定結果 （mm）

圖4 金相試樣

5）通過掃描電鏡對焊接接頭不同部位在分別放大200倍、500倍時的腐蝕形貌進行觀察，如圖5所示。觀察到整個焊接接頭形貌只有凹凸不平的相，晶界處未顯現任何晶間腐蝕的跡象，說明焊接接頭的耐晶間腐蝕性能良好。

圖5 試樣晶間腐蝕掃描電鏡圖像

5 結束語

1）選用的焊接參數合理有效，管口焊縫成形美觀，無缺欠，可用于生產。

2）提高管板管孔的加工精度，有助于保證焊接接頭焊縫的質量。

3）焊前對管子管板進行清理，有利于提高焊接接頭焊縫的質量。

4）選用合適的焊接參數，嚴格控制焊接熱輸入及層間溫度，是保證焊縫質量的主要因素。