CN112122865B - 一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，包括：A）准备；B）胀接定位：将换热管穿过管板的管孔并伸出管板端面，将胀套伸入换热管内，胀套前端内设锥孔、外圆周设有数个凸起的弧段胀头，弧段胀头的外端在轴向位于管板坡口根部及根部内侧两毫米之间；在胀套内推进胀紧芯轴，使得弧段胀头外撑，将换热管胀接固定于管孔内；C）清理；D）焊接：将单定位封口焊接机头的定位心轴插入待焊换热管并胀紧，在惰性气体保护下，先进行打底层焊接，焊后进行100%渗透探伤；再进行面层焊接，焊后进行100%渗透探伤+射线探伤；E)热处理；本发明能解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题，并防止根部的未焊透和未熔合，从而提升封口焊质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种管板与换热管的封口焊工艺，特别是用于化工容器的开坡口管板与换热管异种钢的封口焊工艺。
背景技术
化工容器对管板与换热管封口焊质量要求较高，部分设备的封口焊要求射线探伤和宏观试验，要求根部完全焊透且无超标缺陷。常规焊接工艺不易达到要求，主要有以下几个方面问题：
1. 管板与换热管材质不同，特别是管板表面有奥氏体钢复合层，换热管为低合金钢时，两种材料化学成分和性能差异很大，异种钢封口焊容易产生裂纹；
2.采用管板开坡口、管端伸出管板表面的接头形式，换热管外伸尺寸（≥2mm）较大、坡口较深（≥2mm）时，容易造成根部未焊透和未熔合；
3.为保证穿管，换热管外径与管孔存在偏差，换热管焊前定位多采用点焊固定，由于焊接收缩会造成坡口根部间隙不均匀、且点焊位置容易产生焊接缺陷；若不采取固定措施在焊接时换热管容易产生晃动，自动焊焊接时容易产生严重的未熔合或裂纹。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，它能解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题，并防止根部的未焊透和未熔合，从而提升封口焊质量。
为了达到上述目的，本发明的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，包括以下步骤：A）准备：打磨、抛光待焊管端，清理管板孔内表面；其特征在于：B）胀接定位：将换热管穿过管板的管孔并伸出管板端面，将多点式胀管器的胀套伸入换热管内，胀套前端内设锥孔、外圆周设有数个凸起的弧段胀头，弧段胀头的外端在轴向位于管板坡口根部及根部内侧两毫米之间，弧段胀头的内端距离其外端大于两毫米；在胀套内推进胀紧芯轴，胀紧芯轴前端为圆锥段，使得弧段胀头外撑，受弧段胀头挤压的管壁扩张并与管孔内壁紧密贴合，将换热管胀接固定于管孔内；C）清理：对换热管和管板表面待焊区域进行清理，去除油、锈和水等杂质；D）焊接：将单定位封口焊接机头的定位心轴插入待焊换热管并胀紧，在惰性气体保护下，采用脉冲电流先进行打底层焊接，焊后进行100%渗透探伤；再采用脉冲电流进行面层焊接，焊后进行100%渗透+射线探伤；E)热处理：探伤合格后对封口焊缝进行局部热处理；
本发明采用焊前分段胀接将换热管固定于管孔内，未受挤压位置的管壁与管孔内壁的间隙也进一步缩小，使得管子与管孔之间的间隙减小，在焊接时换热管不会产生晃动，且弧段胀头的外端在轴向位于管板坡口根部及根部内侧两毫米之间，可避免胀接后管子外凸、妨碍根部焊接，又可避免胀接起始点距离根部过远、坡口根部间隙不能有效消除，从而防止焊接后出现未焊透和未熔合缺陷；焊接机头的定位心轴插入待焊换热管并胀紧，定位基准为待焊管子的轴线，因此机头转动的轨迹与待焊换热管的外圆同心，有利于整圈根部的良好熔合，同时也不会出现管头熔化的问题；加上分层焊接利于控制焊接能量，可解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题，从而提升封口焊质量；
作为本发明的进一步改进，焊接时脉冲电流的基值电流为40-100A，峰值电流140-200A，电压为8-12V，焊接线速度5-10cm/min，打底层焊丝熔敷速度控制在0.50-1.38g/min，其余焊层的焊丝熔敷速度控制在0.50-3.94 g/min； 采用较低的基值电流使整个焊接过程中的平均线能量降低，有利于防止奥氏体焊材焊接时产生热裂纹的问题，同时采用较高的峰值电流，可提高电弧穿透力，有利于保证根部焊透；采用8-12V的电压，是根据实践验证得出，当电压小于8V,则很容易导致钨极与工件粘接而不能正常焊接，过高的电压则导致电弧能量的集中度减弱，不利于根部焊透，因此，根据实际试验得出电压范围为8-12V。根部焊丝的熔敷速率定位0.50-1.38g/min，是基于以下因素设计的，经过试验验证，当焊丝的熔敷速率小于0.50 g/min时，焊缝中产生大量的裂纹，其原因是焊缝中熔入的合金钢材料过多，马氏体组织增加，从而易于产生裂纹，所以需要填充一定量的奥氏体焊材，减小铁素体钢对焊缝的稀释率以避免裂纹产生。而当填充焊丝的熔敷率超过1.38g/min时，则由于根部位置的铁水过多，电弧不能直接作用到焊缝根部，从而容易产生根部未焊透和未熔合的缺陷。故第一层的焊丝熔敷速率定为0.50-1.38g/min。而第二层焊接时，由于焊缝根部为前道焊缝形成的圆弧面，不似第一层焊接时的直角，因此送丝速率可以提至0.50-3.94 g/min；
作为本发明的进一步改进，焊接时，在脉冲电流上还进行电流叠加，叠加电流为50-100A，叠加时间20-50ms；可保证焊缝的焊透性，并不至于焊接热量过高；
作为本发明的进一步改进，对于奥氏体复合层的管板和低合金钢换热管焊接时，采用奥氏体组织焊丝进行焊接；具有良好的熔合性，进一步避免产生裂纹；
作为本发明的进一步改进在打底层焊接与面层焊接之间，还进行过渡层焊接，过渡层焊后进行100%渗透探伤+射线探伤；适用于坡口深度较深的管板，利于控制焊接能量，可解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题；
作为本发明的进一步改进，焊接时焊枪角度采用5-20°；可保证电弧有效熔化到管子与管板交界位置，防止该位置产生未焊透或未熔合缺陷；
综上所述，本发明能解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题，并防止根部的未焊透和未熔合，从而提升封口焊质量。
附图说明
图1本发明实施例定位胀接时设备示意图。
图2为图1中胀套的右视图。
图3本发明实施例焊接示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
以本公司某车间生产的甲醇合成塔为例，换热管材质SA-213T11，管板材质为SA-336F11CL3，堆焊8mm的inconel625镍基合金；封口焊结构为管子伸出管板3mm，坡口深度2.5mm，焊后要求进行100%射线探伤和渗透探伤，并进行模拟试样解剖试验，合格标准为ASMEⅧ-2和BS EN ISO 15614-8，要求根部完全焊透且无其他超标缺陷。
该异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，包括以下步骤：A）准备：打磨、抛光待焊管端，清理管板孔内表面； B）胀接定位：如图1、图2所示，将换热管1穿过管板2的管孔并伸出管板外端面5 mm，将多点式胀管器的胀套3伸入换热管1内，胀套3前端内设锥孔、外圆周设有六个凸起的弧段胀头4，各弧段胀头4之间设有一段轴向槽5，弧段胀头4的外端在轴向位于管板坡口6根部及根部内侧两毫米之间的范围a内，弧段胀头4的内端距离其外端的距离b大于两毫米，即胀接区域的外侧起始点距离坡口6根部0-2mm，内侧终止点距离外侧起始点不小于2mm；在胀套3内推进前端设有圆锥段的胀紧芯轴7，使得弧段胀头4外撑，受弧段胀头4挤压的管壁扩张并与管孔内壁紧密贴合，将换热管1胀接固定于管孔内；C）清理：对换热管和管板表面待焊区域进行清理，去除油、锈和水等杂质；D）焊接：如图3所示，将单定位封口焊接机头8的定位心轴9插入待焊换热管1并胀紧，调整焊枪10位置和送丝角度，焊枪角度c采用5-20°，焊丝采用奥氏体组织焊丝，焊丝牌号为ERNiCrMo-3或ERNiCr-3，在纯氩气或氩气与氦气的混合惰性气体保护下，采用脉冲电流并进行电流叠加，脉冲电流的基值电流为40-100A，峰值电流140-200A，基峰值脉冲时间为150-200ms，叠加电流为50-100A，叠加时间20-50ms，电压为8-12V，焊接线速度5-10cm/min；先焊接打底层11，焊丝熔敷速度控制在0.50-1.38g/min，焊后进行100%渗透探伤；再焊接过渡层12，焊丝熔敷速度控制在0.50-3.94 g/min，焊后进行100%渗透探伤+射线探伤；最后焊接面层13，焊丝熔敷速度控制在0.50-3.94 g/min，焊后进行100%渗透探伤+射线探伤；E)热处理：探伤合格后对封口焊缝进行局部热处理，热处理规范为680±10℃/1-1.5h；
本发明采用胀接将换热管1固定于管孔内，未受弧段胀头4挤压位置的管壁与管孔内壁的间隙g也进一步缩小，胀接后的g不大于0.05mm，换热管1与管孔之间的间隙减小，在焊接时换热管1不会产生晃动，且弧段胀头4的外端在轴向位于管板坡口6根部及根部内侧两毫米之间，可避免胀接后坡口6根部外侧的管子外凸、妨碍根部焊接，又可避免胀接起始点距离根部过远、坡口根部间隙不能有效消除，防止焊接后出现未焊透和未熔合缺陷，弧段胀头4的内端距离其外端大于两毫米，可保证足够的胀接区域；焊接机头8的定位心轴9插入待焊换热管1并胀紧，定位基准为待焊管子的轴线，因此机头转动的轨迹与待焊换热管1的外圆同心，有利于整圈根部的良好熔合，同时也不会出现管头熔化的问题；加上封口焊分为打底层11、过渡层12和面层13三层焊接，利于控制焊接能量，可解决异种钢封口焊易产生裂纹的问题，从而提升封口焊质量；焊接时，由于奥氏体复合层（或堆焊层或管板）与铁素体低合金钢焊接，若不填充镍基材料，则焊缝被稀释后形成马氏体组织，极易产生根部裂纹，因此打底焊接时不能像同种钢封口焊为了保证根部焊透采用不填丝的模式，该类接头打底层必须填丝，但填丝过多又会使得熔化的铁水覆盖封口焊根部，导致根部未焊透或未熔合缺陷，打底层焊丝熔敷速度控制在0.50-1.38g/min，其余焊层的焊丝熔敷速度控制在0.50-3.94 g/min； 采用较低的基值电流使整个焊接过程中的平均线能量降低，有利于防止奥氏体焊材焊接时产生热裂纹的问题，同时采用较高的峰值电流，可提高电弧穿透力，有利于保证根部焊透；采用8-12V的电压，是根据实践验证得出，当电压小于8V,则很容易导致钨极与工件粘接而不能正常焊接，过高的电压则导致电弧能量的集中度减弱，不利于根部焊透，因此，根据实际试验得出电压范围为8-12V。根部焊丝的熔敷速率定位0.50-1.38g/min，是基于以下因素设计的，经过试验验证，当焊丝的熔敷速率小于0.50 g/min时，焊缝中产生大量的裂纹，其原因是焊缝中熔入的合金钢材料过多，马氏体组织增加，从而易于产生裂纹，所以需要填充一定量的奥氏体焊材，减小铁素体钢对焊缝的稀释率以避免裂纹产生。而当填充焊丝的熔敷率超过1.38g/min时，则由于根部位置的铁水过多，电弧不能直接作用到焊缝根部，从而容易产生根部未焊透和未熔合的缺陷。故第一层的焊丝熔敷速率定为0.50-1.38g/min。而第二层焊接时，由于焊缝根部为前道焊缝形成的圆弧面，不似第一层焊接时的直角，因此送丝速率可以提至0.50-3.94 g/min；对于奥氏体复合层的管板和低合金钢换热管焊接时，奥氏体组织焊丝具有良好的熔合性，进一步避免产生裂纹；为保证焊缝的焊透性，并不至于焊接热量过高，在脉冲电流上进行电流叠加，叠加电流为50-100A，叠加时间20-50ms；最后热处理消除应力。
Claims (6)
1.一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，包括以下步骤：A）准备：打磨、抛光待焊管端，清理管板孔内表面；其特征在于：B）胀接定位：将换热管穿过管板的管孔并伸出管板端面，将胀套伸入换热管内，胀套前端内设锥孔、外圆周设有数个凸起的弧段胀头，弧段胀头的外端在轴向位于管板坡口根部及根部内侧两毫米之间，弧段胀头的内端距离其外端大于两毫米；在胀套内推进胀紧芯轴，胀紧芯轴前端为圆锥段，使得弧段胀头外撑，受弧段胀头挤压的管壁扩张并与管孔内壁紧密贴合，将换热管胀接固定于管孔内；C）清理：对换热管和管板表面待焊区域进行清理，去除油、锈和水杂质；D）焊接：将单定位封口焊接机头的定位心轴插入待焊换热管并胀紧，在惰性气体保护下，采用脉冲电流先进行打底层焊接，焊后进行100%渗透探伤；再采用脉冲电流进行面层焊接，焊后进行100%渗透探伤+射线探伤；E)热处理：探伤合格后对封口焊缝进行局部热处理。
2.根据权利要求1所述的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，其特征在于：焊接时脉冲电流的基值电流为40-100A，峰值电流140-200A，电压为8-12V，焊接线速度5-10cm/min，打底层焊丝熔敷速度控制在0.50-1.38g/min，其余焊层的焊丝熔敷速度控制在0.50-3.94 g/min。
3.根据权利要求2所述的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，其特征在于：焊接时，在脉冲电流上还进行电流叠加，叠加电流为50-100A，叠加时间20-50ms。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，其特征在于：对于奥氏体复合层的管板和低合金钢换热管焊接时，采用奥氏体组织焊丝进行焊接。
5.根据权利要求4所述的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，其特征在于：在打底层焊接与面层焊接之间，还进行过渡层焊接，过渡层焊后进行100%渗透探伤+射线探伤。
6.根据权利要求5所述的一种异种钢开坡口管板与换热管封口焊工艺，其特征在于：焊接时焊枪角度采用5-20°。
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