蛇形管高壓加熱器換熱管與集管焊接工藝研究

馮莉明，郭偉杰

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

0 概述

為了更好地適應大型機組及調峰機組的運行，加熱器需要更高的抗熱沖擊性能。為此，蛇形管高壓加熱器采用獨特的集管結構，取代了U形管式高壓加熱器厚重的管板和水室。但蛇形管高壓加熱器的制造工藝與常規換熱器有很大的不同之處，有多項制造難關需要攻克，換熱管與集管障礙焊焊接就是其中之一。

在蛇形管高壓加熱器中，換熱管與集管的對口焊接，其空間狹小，難以實施自動焊接。產品制造時需要一層一層施焊，每個焊口需進行100%RT和100%PT檢測，檢驗合格后才能進行下一層的焊接。如存在返修，就會嚴重影響下一層的生產進度。

焊縫結構見圖1。層與層之間的距離很小，焊接某一層管子時，下半圓存在視覺盲區，正常施焊和補焊有相當大的難度。由于空間位置限制，一旦出現焊接缺陷無法用普通磨光機或者銼刀清除缺陷，只能采用專門的割管機割掉焊口重新進行焊接。

鑒于上述原因，為保證產品質量和生產進度，需要較高的焊接成功率。

本文通過模擬施焊及模擬補焊研究，確定可行的施焊工藝參數、操作手法和返修措施。通過技能操作訓練，提高焊接成功率，保證了蛇形管高壓加熱器最終的順利出產[1]。

1 焊接分析[2-3]

1.1 換熱管材料焊接性分析

蛇形管高壓加熱器中換熱管材料為15Mo3鋼，15Mo3屬于珠光體耐熱鋼，其金相組織為珠光體+鐵素體，在焊接過程中易產生冷、熱裂紋，而且熱影響區易脆化，其合金元素主要以固溶體和化合物兩種形式存在于鋼中。

碳是以碳化物的形式存在于鋼中，它可以提高強度及淬硬性。含碳量的高低對可焊性、焊接熱裂紋的敏感性、熱影響區裂紋傾向等均有明顯影響。

鉻在鋼中主要提高鋼的抗氧化能力，還可提高鋼的耐腐蝕性。但由于碳元素與鉻的親和力較大，易形成鉻的碳化物，因而對抗氧化性極為不利。

硅融入鐵素體中起固溶強化作用，但它的有害作用是增加了回火脆性及晶粒粗大傾向，使焊接性能下降。

在15Mo3鋼中除C、Si、Cr元素外，還含有Mn、Mo等合金元素，這些元素提高了鋼的力學性能、抗氧化性能和熱強性能，這些元素在不同程度上對焊接性能產生影響，整體可焊性較好。15Mo3化學成分及力學性能見表1。

表1 15Mo3鋼化學成分及力學性能

1.2 集管材料焊接性分析

蛇形管高壓加熱器中集管材料為15NiCuMoNb合金鋼。該合金鋼屬于低合金結構鋼中的調質型彌散強化鋼，它是在碳錳鋼的基礎上添加Ni-Cu-Mo-Nb合金元素發展起來的。通過銅的沉淀強化可以提高材料的強度和抗腐蝕性能，添加一定的鎳是為了消除由于銅的存在而帶來的高溫紅脆趨勢，同時加入一定量彌散的鈮可進一步細化晶粒，提高材料的綜合性能。由于該鋼中加入了Ni、Cu、Mo、Nb等合金元素，起到了細晶強化及沉淀強化的效果，從而大大提高了該鋼種的高溫強度以及持久強度，并且銅的加入并沒有降低鋼的持久塑性。該鋼的特點是強度高，具有良好的焊接性能，其化學成份及力學性能見表2。

表2 15NiCuMoNb合金鋼化學成分及力學性能

1.3 焊接難題分析

蛇形管高壓加熱器中蛇形管布置密集，且成排組對，管與管之間、排與排之間的間隙非常小。由于空間狹小，焊接任意一道焊口時別的管子都會對操作形成障礙，難以正常焊接。焊接過程中一旦形成氣孔、夾渣等焊接缺陷無法采用砂輪清除缺陷，只能整根割下，重新加工坡口，重新焊接。為保證焊縫質量進而保證整體生產進度，必須采取一系列措施來保證較高的焊接成功率。

2 制定焊接工藝

2.1 焊接方法選擇

首先考慮采用自動氬弧焊方式焊接此焊縫。通過市場調研，如在接管外側進行焊接，目前市場上沒有滿足此間隙的自動焊設備；如采用內孔焊焊槍從接管內部焊接，由于換熱管管徑較小，滿足此管徑的內孔焊焊槍不具備水冷和加絲功能，而蛇形管高壓加熱器換熱管的壁厚較厚(4 mm)，不加絲焊接很難保證焊縫質量，焊槍不具備水冷功能也會導致焊接效率較低。

鑒于上述原因，最終選擇采用手工氬弧焊方式進行換熱管與集管焊縫的焊接，但由于空間障礙原因，常規氬弧焊焊槍和小規格氬弧焊焊槍均無法滿足換熱管與集管焊縫空間尺寸要求。為解決此難題，定制了能夠滿足此空間尺寸的氬弧焊焊槍。但焊槍尺寸減小后，氣體保護效果也會變差。通過大量試驗持續對焊槍進行改進，最終開發出焊接質量穩定、氣體保護效果良好的焊槍，滿足使用要求。

2.2 焊接材料及焊接設備

2.2.1 焊接材料

根據焊材選材的低配原則，焊材主要元素含量見表3。

表3 焊絲化學成分

2.2.2 焊槍、焊機

由于焊接位置差，管間距小，通用的鎢極氬弧焊焊槍難以滿足需要。根據產品的實際空間位置，專門定制了非常規小型氬弧焊焊槍(見圖2)，并需確保焊接過程的保護效果，焊機具備提前送氣、滯后停氣、高頻引弧、電流衰減滅弧等功能。

2.3 坡口形式

坡口形式選用V形對接，詳見圖3.

2.4 焊前準備

1)焊前對焊接區域進行打磨除銹至金屬光澤，并將打磨碎屑清理干凈；

2)在焊接現場搭制防風棚以防風；

3)焊絲用砂紙打磨除銹并用丙酮擦洗，焊絲中間剪斷減少手持負擔；

4)調整焊機選擇合適的焊接電流，檢查焊縫裝配情況，檢查焊接氣體流量及背面保護氣體情況；

5)焊前試槍，在打磨光滑的5 mm鐵板上進行焊槍調試，確定焊槍的氣體保護效果及電流是否穩定，以確保焊接正常進行；

6)焊前進行預熱。

2.5 焊接操作手法

由于焊縫三面均存在障礙，打底焊焊接時外加絲難度較大且不好控制。為保證打底焊質量，需采用特定送絲方法，焊絲通過坡口上方裝配好的間隙以特定角度送至坡口底部，調整焊槍角度(因管排之間的障礙，焊槍無法按正常角度放置)，根據實際情況盡量調整到不被障礙阻擋的上限角度，視線以斜視調整到最佳視角。焊接過程中根據視線所及部分，在腦中模擬熔池攤開的大小，控制熔滴過渡方式，最終完成打底焊縫焊接。

焊接采用左右手施焊的方式。焊接左邊障礙部分焊縫時，左手拿焊槍，右手送絲；焊接右邊障礙部分焊縫時，右手拿焊槍，左手送絲。焊接過程中注意焊槍角度的時時變化及焊槍噴嘴與管子的距離，使焊縫得到充分的氣體保護，防止出現焊接氣孔。

封底打底焊焊接完成，蓋面焊接時，因管與管的間距較小，存在視覺盲區。焊接視覺盲區位置時，根據視線所及的焊接位置在腦中模擬盲區，確定合適起弧位置(起弧前鎢極先觸碰焊縫，然后拉開一點點距離起弧)，等待熔池完全打開再加入焊絲填滿熔池，焊槍可稍許擺動把熔池帶到坡口兩邊，加絲填滿熔池使焊縫無未熔合現象。

因空間位置限制，焊接只能采取斷弧焊，應特別注意接頭處的焊接質量，特別是視線盲區位置的接頭質量。焊接過程中需要提前送氣和滯后停氣，保證焊接時的氣體保護效果。需反復練習，控制焊接速度和送絲速度均勻、快速，降低熱輸入，保證蓋面焊縫的成形質量，防止咬邊、焊縫余高較大等。

3 焊接模擬訓練

對于蛇形管高壓加熱器蛇形管和集管障礙焊，由于焊接時焊縫三面有障礙，存在施焊盲區，對焊工操作水平要求非常高。焊接過程中一旦出現焊接缺陷返修困難，嚴重影響生產進度。為保證生產進度，達到較高的焊接合格率，模擬產品按1：1的比例制作模擬件，進行模擬焊接訓練，提高障礙焊焊接操作技能水平。

為保證訓練質量，制定了模擬訓練計劃，通過四個階段，由易到難，進行模擬焊接訓練。

3.1 基礎訓練

蛇形管與集管焊接時，因空間障礙，需要左右手分別完成兩個半圈的焊接，而且打底時需要采用內送絲的送絲手法。通常產品焊接時，焊工常采用慣用手進行焊接，非慣用手焊接則熟練度不夠，送絲方式也多為外送絲。因此有必要對左右手焊接和內送絲手法進行基礎訓練。

此階段分兩步進行，首先練習光管開槽焊接。在光管上開特定形狀圓槽，通過左右手焊接填滿圓槽，練習左右手焊接的協調性。

然后通過光管的對接焊，練習送絲手法。

3.2 管板障礙訓練

在簡易工裝或碳鋼板上裝焊多根碳鋼管，采用管對接的焊接方式進行初步障礙練習。管板障礙訓練形式見圖4，第一排以及第二排的左右邊均預先焊接長管，模擬障礙。焊接中間一根管對接進行訓練，短管先焊接好，模擬短接頭，再與長管對接焊接。焊好后取下此根管，重復練習。

3.3 模擬件訓練

在制作的1:1的焊接模擬件進行焊接訓練。此焊縫空間位置及結構形狀與實際產品相同，可通過這個階段的反復練習，熟悉產品焊接情況。

3.4 模擬返修訓練

通過前三個階段的訓練，掌握障礙焊焊接技能后，在模擬件上進行模擬返修訓練，為焊縫返修作準備。

4 結果

4.1 實際產品焊接情況

蛇形管高壓加熱器換熱管與集管障礙焊操作技術在實際生產中得到應用，參加培訓考核的焊工，共完成了兩臺蛇形管高壓加熱障礙焊的焊接，焊接合格率98%以上，保證了制造進度，滿足生產需求。

4.2 經驗要領

1)嚴格焊前清理，焊前對坡口區域用拋輪打磨直至露出金屬光澤，以防止焊接缺陷的產生；

2)采取有效的防風措施，搭制防風棚；

3)焊接時提前送氣和滯后停氣，保證焊接時氣體保護效果；

4)焊接過程中盡量減少斷弧次數防止接頭氣孔和縮孔。

5)用熟練的焊接手法保證障礙焊焊接時快速、均勻的焊接速度，降低對焊縫的熱輸入，避免溫度過高導致焊縫下沉和焊縫成形不美觀。

5 結語

針對蛇形管高壓加熱器換熱管與集管的障礙焊焊縫，通過模擬施焊及模擬補焊試驗，確定可行的施焊工藝參數、操作手法和返修措施。通過技能操作訓練，掌握了小口徑管子對接障礙焊焊接操作技術，提高了焊接成功率，保證了蛇形管高壓加熱器最終的順利出產。