換熱管-管板四種組對坡口的焊接接頭性能

王 穎 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院

周建新 南京工業大學 機械與動力工程學院

換熱管-管板四種組對坡口的焊接接頭性能

王 穎 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院

周建新 南京工業大學 機械與動力工程學院

選用氬弧焊工藝對10號鋼換熱管與16MnⅡ管板四種組對坡口形式（縮孔45°、縮孔U型、凸孔45°、平口45°）進行了焊接，并對其進行了拉伸及低周疲勞性能研究，對斷后焊縫斷面進行了顯微形貌觀察和微觀組織分析。結果表明：四種組對坡口形式焊縫結合良好，無明顯缺陷。縮孔和凸孔焊接試樣拉伸性能相差不大，平口焊接試樣略低；平口焊接試樣抗疲勞性能優于凸孔焊和縮孔焊。因此四種組對坡口形式中平口焊接試樣的接頭性能最優。

換熱管 管板 焊接 坡口

換熱管與管板的連接方法主要有脹接、焊接和脹焊并用。脹接結構由于脹接變形存在較大的殘余應力,易產生應力腐蝕, 而且在使用溫度較高時, 由于材料的蠕變使脹接殘余應力松弛, 引起接頭松動或脫落造成泄漏。換熱管與管板的端面焊接接頭具有焊接、外觀檢查與維修方便等優點。

目前，國內外關于換熱器換熱管與管板的焊接的資料較多，但多為單一的連接方式，而換熱管與管板不同組對位置和坡口形式的焊接系統研究的文獻報道較少，特別是對換熱管與管板的連接焊接頭形式、接頭尺寸、焊接工藝對焊接接頭殘余應力分布及金相組織結構的影響的研究報道更加缺乏。基于此，本文選取常見的φ25mm×2mm規格10號鋼換熱管與50mm厚16MnⅡ管板的焊接，對其四種組對坡口方式（縮孔45°、縮孔U型、凸孔45°、平口45°）的焊接接頭性能進行系統研究，研究其焊接接頭拉脫性能和抗疲勞性能的不同，并利用光學顯微鏡和掃描電鏡分析焊接接頭的微觀組織形貌。

1 試驗

1.1 試樣尺寸

換熱管采用的是φ25mm×2mm規格10號鋼材料，管板為50mm厚16MnⅡ鍛件。為了模擬換熱器真實結構，本文按照GB151要求采用標準模擬試塊，其具體尺寸如圖1所示。換熱管與管板具體的組對方式如圖2所示。

圖1 換熱板模擬試板

圖2 四種組對方式坡口

1.2 焊接工藝

10號鋼換熱管屬于優質碳素鋼，16MnⅡ管板屬于低合金結構鋼，10號鋼換熱管與16MnⅡ管板的焊接屬于異種鋼焊接，宜選用與合金含量較低一側的母材相匹配的焊接材料，并要保證力學性能，其接頭抗拉強度不低于兩種母材標準規定值的較低者。根據生產經驗和兩種母材按照異種鋼母材的化學成分、性能、接頭形式和使用要求，選擇手工氬弧焊焊絲為H08Mn2Si，氬氣濃度需達到99.9%以上。施焊兩層，第一層采用自熔的焊接方法，不加絲。第二層采用加絲的焊接方法。表1為10號鋼換熱管與16MnⅡ管板縮孔手工氬弧焊工藝參數。

表1 10號鋼換熱管與16MnⅡ鍛件管板手工氬弧焊工藝參數

1.3 力學性能研究

采用Instron600萬能拉脫試驗機對不同組對坡口的10號鋼換熱管與16MnⅡ管板焊接試樣進行了拉脫試驗，拉伸速度是0.5mm/min。采用MTS 809A/T 250KN拉扭組合疲勞試驗機對不同組對坡口的10號鋼換熱管與16MnⅡ管板焊接試樣進行了疲勞試驗。試驗機靜載荷精度為滿量程±0.5%，動載荷振幅波動度為滿量程±1%。試驗動載荷類型為脈動拉伸疲勞，應力比R=0.1，加載頻率f=0.3Hz，拉伸試驗每種組對坡口取3個試驗，疲勞試驗每種組對坡口取5個試樣，取其平均值作為最終疲勞次數。

1.4 顯微分析

使用LEICADM6000M光學顯微鏡上對不同組對坡口的10號鋼換熱管與16MnⅡ管板焊接試樣進行金相顯微組織觀察。疲勞試驗后，采用線切割將新鮮斷口切下，在丙酮溶液中超聲清洗約15min，之后利用Apollo 300掃描電鏡（SEM）進行微觀斷口分析。

2 結果與分析

圖3為10號鋼換熱管與16MnⅡ管板不同組對位置和坡口條件下焊接試樣顯微形貌。可以看出，10號鋼換熱管與16MnⅡ管板焊接形貌良好，焊縫內無明顯的裂紋和缺陷存在。然而，在換熱管與管板的結合部位，有一些細微尖角，在拉伸過程中，容易導致應力集中。

圖3 10號鋼換熱管與16MnⅡ管板不同坡口條件下焊接試樣顯微形貌

表2顯示10號鋼換熱管與16MnⅡ管板不同組對位置和坡口條件下焊接試樣的拉伸性能。可以看出，縮孔45°、縮孔U形焊接試樣與凸孔45°焊接試樣的拉伸性能相差不大，拉力分別為72.62MPa、 73.915MPa和73.406MPa，平口45°焊接試樣最大拉脫力略低，但仍可達到68.365MPa。4種組對坡口條件下拉伸斷裂發生在10號鋼換熱管下部，斷口處有明顯的頸縮變形。

表2 10號鋼換熱管與16MnⅡ管板不同組對坡口條件下焊接試樣的拉脫性能

試驗顯示，10號鋼換熱管與16MnⅡ管板不同坡口條件下焊接試樣的低周疲勞性能。可以得出平口45°焊接試樣抗疲勞性能最好，平均循環次數達到366次，縮孔45°焊接試樣次之，平均循環次數為280次，縮孔U形焊接試樣與凸孔45°焊接試樣疲勞次數分別為237次和203次。

3 結論

通過選取工業上常見的φ25mm×2mm規格10號鋼換熱管與50mm厚16MnⅡ管板焊接，對其四種組對位置和坡口形式（縮孔45°、縮孔U型、凸孔45°、平口45°）的焊接接頭進行宏觀檢查、顯微分析、力學拉脫性能試驗，得出結論如下：

1）10號鋼換熱管與16MnⅡ管板四種組對坡口形式（縮孔45°、縮孔U型、凸孔45°、平口45°）焊接形貌均良好，焊縫內無明顯的裂紋和缺陷存在。

2）縮孔45°、縮孔U形與凸孔45°焊接試樣拉脫性能相差不大，依次分別為72.62MPa、73.915MPa和73.406MPa，平口45°焊接試樣略低，仍達到68.365MPa。四種組對坡口條件下拉伸斷裂發生在10號鋼換熱管下部，斷口處有明顯的頸縮變形。

3）10號鋼換熱管與16MnⅡ管板平口45°焊接試樣抗疲勞性能最好，平均循環次數達到366次。

TIG welding process was used to connect 10# steel tubes and 16Mn II tube sheet with four groove types (Retracted 45°, Retracted U shaped, convex 45°and flat 45°). Tensile and low cycle fatigue testing were conducted. The microscopic morphology and microstructure of the cross section of rapture welds were analyzed. The experiment and analysis results show that four groove type welds connected well with no obvious defects. The tensile properties of welding specimens are almost the same. The fatigue properties of flat welding specimens are better than that of the retracted and convex ones. Thus flat welding specimens have the best performance among four types of groove joints.

Exchange tube Tube sheet Welding Groove

2013－09－27）