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(guī)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)，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(xiàn)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(chǎn)品質量和生產(chǎn)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(shù)、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(chǎn)[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(chǎn)生冷、熱裂紋，而且熱影響區(qū)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(qū)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(nèi)孔焊焊槍從接管內(nèi)部焊接，由于換熱管管徑較小，滿足此管徑的內(nèi)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(guī)氬弧焊焊槍和小規(guī)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(xù)對焊槍進行改進，最終開發(fā)出焊接質量穩(wěn)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(jù)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(jù)產(chǎn)品的實際空間位置，專門定制了非常規(guī)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(qū)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(xiàn)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(wěn)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(jù)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(jù)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(xiàn)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(qū)。焊接視覺盲區(qū)位置時，根據(jù)視線所及的焊接位置在腦中模擬盲區(qū)，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(xiàn)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(qū)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(qū)，對焊工操作水平要求非常高。焊接過程中一旦出現(xiàn)焊接缺陷返修困難，嚴重影響生產(chǎn)進度。為保證生產(chǎn)進度，達到較高的焊接合格率，模擬產(chǎn)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(nèi)送絲的送絲手法。通常產(chǎn)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(nèi)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(xié)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(chǎn)品相同，可通過這個階段的反復練習，熟悉產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)需求。

4.2 經(jīng)驗要領

1)嚴格焊前清理，焊前對坡口區(qū)域用拋輪打磨直至露出金屬光澤，以防止焊接缺陷的產(chǎn)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(shù)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(shù)、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(chǎn)。