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概述了國內(nèi)換熱器不銹鋼管管板焊接的一般現(xiàn)狀，由于其焊接的局限性和特殊性，焊接質(zhì)量參差不齊。從前期坡口設(shè)計(jì)到焊接和檢驗(yàn)過程提出了改進(jìn)方法，主要是要選用易于焊透的坡口型式和尺寸，焊前進(jìn)行模擬工藝試驗(yàn)及焊工考核。采用高性能設(shè)備的自動焊對焊接工藝進(jìn)行升級，重視焊前及焊接過程的細(xì)節(jié)控制，加強(qiáng)焊縫的檢驗(yàn)等，共同保證不銹鋼管管板焊接工藝條件和焊接質(zhì)量。

換熱器不銹鋼管-管板接頭的焊接是最普遍的一種形式，其焊接質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠和效能。結(jié)合目前一般制造企業(yè)不銹鋼管-管板焊接工藝和質(zhì)量狀況，提出改進(jìn)的方法。

典型的換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，換熱管束與管板進(jìn)行焊接（強(qiáng)度焊）。

換熱器不銹鋼管-管板的接頭常有以下幾種結(jié)構(gòu)型式，不銹鋼管外伸、不銹鋼管平齊和不銹鋼管內(nèi)縮、深孔焊接。針對設(shè)計(jì)圖紙不銹鋼管、管板的不同的材料、規(guī)格和坡口情況，在產(chǎn)品焊接之前需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評定，用于評價(jià)焊材，焊接工藝等要素是否能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。例如根據(jù)NB/T 47014—2011附錄D[1]、GB/T 151—2014[2]的規(guī)定，需要對焊縫進(jìn)行斷面金相檢驗(yàn)，以確定焊縫根部的熔透情況以及焊縫尺寸是否滿足要求。

目前制造廠的一般對不銹鋼管-管板的焊接普遍還不夠重視，技術(shù)和管理水平還停留在以前的水平，焊接質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致產(chǎn)品運(yùn)行過程中常常發(fā)生焊縫泄漏。究其原因，在制造方面存在以下幾個方面原因：設(shè)計(jì)人員對不銹鋼管-管板接頭的設(shè)計(jì)缺乏認(rèn)識，為滿足不銹鋼管-管板的焊縫強(qiáng)度，盲目加大坡口的深度h。實(shí)際上加大坡口深度h，就增加了焊接的難度和產(chǎn)生未焊透的可能。針對不銹鋼管-管板微小坡口的焊接，既要把坡口根部完全焊透，又不能焊穿管壁，還要滿足設(shè)計(jì)圖紙焊縫尺寸。對于這樣的坡口（特別是V型坡口，α=45°），坡口深度h每增加1 mm都大大增加了根部焊透的難度，甚至無法焊透。另外采用V型坡口也是未焊透的一個原因。根部未焊透的存在不但沒有增加焊縫的強(qiáng)度，反而會增加焊縫應(yīng)力和設(shè)備在運(yùn)行工況下的開裂，是裂紋根源所在。

圖2、3是常見的不銹鋼管-管板坡口圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)壓力＜35 MPa），圖2為平齊結(jié)構(gòu)，不銹鋼管為1 0，φ25 mm×2.5 mm，管板1 6Mn，設(shè)計(jì)坡口為V型，坡口深度h為3.5 mm。圖3是一臺冷凝器不銹鋼管-管板坡口設(shè)計(jì)，不銹鋼管為SB-338 Gr.2，φ19.05 mm×1.245 mm，管板SA-266 4+SB-265Gr.1，坡口深度h為2 mm。共同特點(diǎn)是采用V坡口，坡口深度h＞不銹鋼管壁厚t。

實(shí)際工藝試驗(yàn)表明，這樣的坡口設(shè)計(jì)根部很難焊透和熔合。圖4是試樣斷面檢查情況，根部存在明顯的未焊透缺口，這些缺陷增加了產(chǎn)品在工況條件下進(jìn)一步開裂的可能，發(fā)生泄漏。

不銹鋼管-管板焊接工藝缺乏針對性的試驗(yàn)和評價(jià)，僅僅按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行工藝評定（PQR）是不夠的。目前一般制造廠的不銹鋼管-管板焊接都是按照標(biāo)準(zhǔn)要求的工藝評定去覆蓋（例如NB/T 47014—2011附錄D[1]），按照標(biāo)準(zhǔn)確定的電流、不銹鋼管壁厚、不銹鋼管直徑和孔橋距離等因素確定其符合性，而對于特定不銹鋼管管板條件下焊接質(zhì)量，特別是根部熔透情況無從知曉，這樣的工藝是否能滿足質(zhì)量要求值得懷疑。實(shí)際上，產(chǎn)品不銹鋼管-管板的焊接質(zhì)量除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要素外，還與材料、坡口、裝配和焊工技能等有密切關(guān)系。目前國內(nèi)許多工廠不銹鋼管-管板的工藝評定和焊接工藝是比較粗糙的，焊工依靠這樣的工藝焊接，焊接質(zhì)量是無法保證的。

不銹鋼管-管板焊接工藝裝備落后，不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。目前很多工廠的不銹鋼管-管板焊接還是手工焊，焊接設(shè)備老舊，電源輸出不穩(wěn)定。還有一些焊接設(shè)備電流電壓表沒有校驗(yàn)或損壞，焊工焊接時(shí)往往憑著自己的感覺和經(jīng)驗(yàn)焊接。另外，一臺換熱器產(chǎn)品不銹鋼管-管板接頭往往有幾千個，不銹鋼管-管板材料各不相同，由于換熱管直徑小、壁厚薄，焊接時(shí)要把根部焊透還不能焊穿管壁，如果采用手工焊，依靠人工的焊接（全位置焊接），對工人的操作技能和體力要求都很高，焊接質(zhì)量很難保證。對于一些特材不銹鋼管-管板，手工焊接更是難以勝任，常常會產(chǎn)生燒穿和產(chǎn)生焊縫氧化等問題。隨著自動焊技術(shù)的不斷發(fā)展，不銹鋼管-管板焊接也迎來了升級換代的機(jī)會。

焊工焊接技能水平較低，難以滿足不銹鋼管-管板焊接要求。不銹鋼管-管板坡口微小，焊接時(shí)要求根部焊透還不能焊穿管壁，焊后不易返修。一般坡口角焊縫類似填角焊，工件尺寸大，容易焊接，不銹鋼管管板焊接難度顯然要高于一般管板角焊縫，對焊工技能要求更高。按照考規(guī)的規(guī)定，焊工通過一般管板角焊縫考試即可，考規(guī)沒有考慮不銹鋼管壁厚、坡口尺寸等，自動焊也不考慮材料類別和不銹鋼管直徑，不銹鋼管-管板與一般坡口角焊縫對比見表1。不銹鋼管-管板焊工有必要經(jīng)過專項(xiàng)的考核。

另外，產(chǎn)品焊接過程缺乏控制手段，焊縫檢驗(yàn)也僅僅是滿足圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求（例如PT檢測），對焊縫的要求比較低�？偟膩碚f，目前不銹鋼管管板從接頭設(shè)計(jì)、評定試驗(yàn)、焊接工藝及設(shè)備、焊工技能、焊接過程控制到焊縫檢驗(yàn)都存在許多不足，難以焊出高質(zhì)量的接頭，下面就這些方面提出改進(jìn)措施。

不銹鋼管-管板接頭及坡口設(shè)計(jì)，在滿足焊縫強(qiáng)度的情況下選用最小的坡口深度h，這樣會給焊接帶來必要性保證。根據(jù)前面坡口深度的論述，它的增大不會增加焊縫強(qiáng)度，反而會增大根部未焊透的可能，甚至無法焊透。以一臺冷凝器鈦不銹鋼管-管板焊接為例，管板16Mn+TA1，不銹鋼管SB-338 Gr.2，φ19.05 mm×1.245 mm，設(shè)計(jì)圖紙坡口接頭如圖5所示。由于鈦不銹鋼管直徑小，壁厚很薄，很難在不熔穿管壁的情況下把根部熔透，因?yàn)楫?dāng)電流增大到一定值時(shí)，熔池把管壁焊穿了而根部卻沒有焊透。特別是根部加絲焊時(shí)更是無法焊透。

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》6.6.2.3條[2]的規(guī)定（設(shè)計(jì)壓力≤35 MPa），不銹鋼管-管板強(qiáng)度焊的焊縫高度l≥管壁厚度t，且滿足拉脫力試驗(yàn)即可。焊縫高度l=坡口深度h+焊腳高度K，在滿足拉脫力和強(qiáng)度的情況下，焊縫高度l應(yīng)取最小值。另外，因?yàn)槠驴谏疃?/span>h對根部焊透具有很大影響，在一定拉脫力的前提下，坡口深度h和焊縫高度l取最小值。在與設(shè)計(jì)人員交流后，設(shè)計(jì)人員計(jì)算后把坡口深度改為1 mm（圖6所示）。這樣不銹鋼管-管板強(qiáng)度焊在滿足強(qiáng)度的情況下，減小了坡口深度從而保證了焊接質(zhì)量。

坡口型式也是影響不銹鋼管-管板焊接的一個重要因素。按照不銹鋼管-管板常規(guī)設(shè)計(jì)，管板坡口常常設(shè)計(jì)為V型，α=45°。V型坡口的缺點(diǎn)是根部不容易焊透（特別是坡口深度h≥2 mm時(shí)），焊縫根部應(yīng)力較大。根據(jù)眾多產(chǎn)品的實(shí)際案例，采用J型坡口，能有效提高焊縫的焊透性，從而大大提高不銹鋼管-管板焊接質(zhì)量。圖7是V型坡口及試樣宏觀斷面照片，圖8是改進(jìn)的J型坡口及試樣宏觀斷面。可以看出，采用優(yōu)化的J型坡口焊接質(zhì)量有了很大的提高（兩者采用相同焊接工藝條件）。

所以，在滿足拉脫力和強(qiáng)度的情況下，不銹鋼管-管板焊縫高度l應(yīng)取最小值。在一定焊縫高度l的前提下，坡口深度h盡量小。另外，采用U型坡口是保證根部焊透的有效方法。

不銹鋼管-管板有了良好的坡口設(shè)計(jì)，也必須要有針對性的技術(shù)評價(jià)手段，而不能僅依賴標(biāo)準(zhǔn)的工藝評定。根據(jù)前面的論述，影響不銹鋼管-管板焊接的因素不只是標(biāo)準(zhǔn)范圍的要素，還與材料具體類別和規(guī)格、坡口、裝配和焊工技能密切有關(guān)，特別是鈦、鋯等特材不銹鋼管-管板。外徑和壁厚較小的不銹鋼管-管板焊接難度更大，一個專門的工藝試驗(yàn)是必要的。所以針對不同的不銹鋼管管板產(chǎn)品，有必要進(jìn)行一個產(chǎn)品實(shí)物的焊接試驗(yàn)評定（Mock-up test試驗(yàn)），試驗(yàn)用不銹鋼管-管板材料、坡口型式和尺寸、裝配尺寸與產(chǎn)品一致（管板材料一般同等級，t≥50 mm也可以），脹接工藝、焊接方法與工藝參數(shù)、焊材等與產(chǎn)品焊接工藝一致，以驗(yàn)證焊工采用的焊接工藝在模擬試板上能否焊出符合質(zhì)量要求的接頭。這是目前一般制造企業(yè)不銹鋼管-管板焊接比較欠缺的。根據(jù)不同材料和接頭型式，Mockup試驗(yàn)應(yīng)對焊縫的焊透性和焊縫厚度（符合標(biāo)準(zhǔn)）、焊縫缺陷（焊后PT+RT檢測）、拉脫力等進(jìn)行檢測，同時(shí)也考核了焊工的操作技能。這是一個實(shí)物+工藝+焊工的工藝驗(yàn)證和焊工考核，三者缺一不可，特別適合不銹鋼管-管板前期工藝評價(jià)和焊工考核。只有都通過了模擬產(chǎn)品的工藝驗(yàn)證，焊工才具備了某個不銹鋼管管板的焊接資質(zhì)。

隨著自動焊技術(shù)和焊接電源性能的不斷提高，為不銹鋼管-管板自動焊的發(fā)展帶來了機(jī)會。自動焊相比手工焊具有以下優(yōu)勢：①高性能焊接電源配合機(jī)頭等輔助系統(tǒng)能焊出高質(zhì)量的接頭。目前不銹鋼管-管板高性能焊接電源很多，脈沖輸出更穩(wěn)定，適合不銹鋼管-管板自動焊。另外目前國內(nèi)有很多專業(yè)不銹鋼管管板自動焊配套公司，提供專業(yè)的機(jī)頭輔助系統(tǒng)。②代替手工焊，降低對人工的依賴，降低了制造成本，提高焊接效率。由于換熱器不銹鋼管-管板焊接頭眾多，靠工人手工焊不僅勞動強(qiáng)度大，人工操作在焊接過程的不穩(wěn)定也會給焊接質(zhì)量造成較大影響。目前人工成本不斷提高，采用自動化和人工智能技術(shù)已是現(xiàn)實(shí)的選擇。不銹鋼管、管板采用自動GTAW的產(chǎn)品焊縫，焊工作為機(jī)器操作工，焊接強(qiáng)度小，焊接效率高，產(chǎn)品焊縫更是無可挑剔。目前采用自動GTAW，完全可以代替手工GTAW，值得大力推廣。

為使自動焊能順利應(yīng)用，企業(yè)除了采購配置設(shè)備外，還必須對系統(tǒng)進(jìn)行一些局部改進(jìn)，比如氣路及保護(hù)罩等。另外，還要對焊工進(jìn)行設(shè)備操作培訓(xùn)，做到焊工熟練使用設(shè)備。

不銹鋼管-管板除了要有好的坡口設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)備和合格焊工，還必須重點(diǎn)做好焊前和焊接過程的控制工作，為保證管板焊接質(zhì)量創(chuàng)造條件。影響不銹鋼管-管板焊接的因素除了以上要素外，還和管孔、坡口加工質(zhì)量、不銹鋼管裝配、操作平臺和焊接環(huán)境、氬氣保護(hù)、參數(shù)調(diào)整、鎢棒燒損等細(xì)節(jié)相關(guān)。因?yàn)?/span>不銹鋼管-管板焊接的局限性以及焊后不易返修的特點(diǎn)，產(chǎn)品往往只允許一次焊好。所以為保證產(chǎn)品每個管頭焊好，必須對焊前和焊接過程加強(qiáng)檢驗(yàn)和控制，其內(nèi)容見表2。

產(chǎn)品不銹鋼管-管板焊后應(yīng)加強(qiáng)對焊縫的檢測。焊后應(yīng)對焊縫逐一外觀檢查，發(fā)現(xiàn)不合格焊縫應(yīng)進(jìn)行標(biāo)識和登記，由焊接工程師出具針對性的返修或換管工藝，嚴(yán)禁焊工私自補(bǔ)焊。另外，一般換熱器產(chǎn)品圖紙只要求焊后表面PT檢測，對焊縫內(nèi)部缺陷（未焊透、未熔合等）沒有要求檢測，這往往成了日后產(chǎn)品發(fā)生事故的隱患。所以對不銹鋼管-管板焊縫增加一定比例的RT檢測是很有必要的。常見的表面缺陷見表3。

不銹鋼管-管板的焊接，需要設(shè)計(jì)改變思路，優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度的前提下選用最小焊縫尺寸l和h。企業(yè)應(yīng)積極采用高性能設(shè)備的自動焊方法，以提高焊接質(zhì)量和效率。對焊接工藝和焊工進(jìn)行模擬產(chǎn)品焊接試驗(yàn)和評價(jià)，重視焊前準(zhǔn)備和檢查，加強(qiáng)焊接過程對質(zhì)量有影響的細(xì)節(jié)控制。加強(qiáng)對焊縫的檢測。對不合格焊縫由焊接工程師編制專用返修工藝，焊工按照返修工藝進(jìn)行返修。總之，不銹鋼管-管板的焊接質(zhì)量對換熱器產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，把每個管頭焊好也極其不易，需要全過程的改進(jìn)和控制。