摘要：闡述了12Ni14 低溫鋼的焊接特點(diǎn)、焊接材料的合理選擇以及MAG 焊接工藝試驗(yàn)，提出了在12Ni14低溫鋼換熱器焊接時(shí)應(yīng)采取的工藝措施。
關(guān)鍵詞：換熱器；MAG焊接；12Ni14低溫鋼
某公司生產(chǎn)的纏繞管式換熱器為大型氮肥裝置中的進(jìn)料氣冷卻器，該設(shè)備規(guī)格為φ2000mm×8000 mm×44mm，設(shè)計(jì)壓力5.8 MPa， 設(shè)計(jì)溫度-75～55℃，主體材料均采用從歐洲進(jìn)口的12Ni14低溫鋼。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該含鎳型低合金鋼可用于低溫壓力容器制造。筆者對(duì)12Ni14低溫鋼進(jìn)行了材料試驗(yàn)及驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，并將其用于纏繞管式換熱器的制造。
1．12Ni14 低溫鋼焊接特點(diǎn)
用于制造壓力容器的低溫鋼，要求其在低溫工作條件下具有足夠的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)還應(yīng)有良好的焊接工藝性能。12Ni14低溫鋼為低合金鐵素體鋼，是在Si-Mn 優(yōu)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.25%～3.75%的鎳等少量合金元素得到的低合金高強(qiáng)度低溫用鋼。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10028-4規(guī)定的12Ni14 低溫鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2。
由表1 可見(jiàn)， 12Ni14 低溫鋼含碳量不大于0.15 %，合金元素總含量不大于5%，其碳當(dāng)量小于0.41%。由于碳當(dāng)量不高，淬硬傾向較小，室溫下焊接時(shí)不易形成冷裂紋。鋼中硫、磷等雜質(zhì)元素的含量較低，故不易產(chǎn)生熱裂紋，其焊接性良好。通常鋼板厚度小于15mm 時(shí)不需要預(yù)熱， 當(dāng)板厚超過(guò)25mm或焊接接頭剛性拘束較大時(shí)，則應(yīng)考慮預(yù)熱，以防止產(chǎn)生焊接裂紋。但是，若預(yù)熱溫度過(guò)高，會(huì)使熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，并可能在晶界析出氧化物和碳化物而降低鋼的韌性。所以預(yù)熱溫度一般控制在100～150℃，最高不能超過(guò)200℃。
焊接12Ni14 低溫鋼時(shí)須注意：①嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度，避免因熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大而降低韌性。②焊接時(shí)焊條不應(yīng)擺動(dòng)，嚴(yán)格控制各層焊道厚度。③嚴(yán)格控制焊后熱處理溫度，避免回火脆性。鋼板厚度大于15mm時(shí)，焊后大多采用消除應(yīng)力熱處理，熱處理溫度為530～550℃。熱處理后不允許在承壓件上焊接或打磨，也不允許在接觸介質(zhì)一側(cè)打鋼印。④母材、熱影響區(qū)和熔敷金屬的硬度值最大為245Hv10。⑤工件冷變形量不大于2%時(shí)，不需進(jìn)行熱處理。冷變形量大于2%而不大于5%時(shí)，需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。冷變形量大于5%時(shí)，需進(jìn)行正火或回火熱處理。
2．焊接材料選擇
對(duì)12Ni14低溫鋼的焊接，熔化極氣體保護(hù)焊將更多地替代手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。焊接時(shí)采用惰性氣體氬氣或氦氣作為保護(hù)氣體的熔化極氣體保護(hù)焊通常稱為MIG焊，而在惰性氣體中加入氧氣和二氧化碳等活性氣體的熔化極氣體保護(hù)焊通常稱為MAG焊。用純氬氣焊接低合金鋼時(shí)，陰極斑點(diǎn)漂移大，易造成電弧燃燒不穩(wěn)定。而在氬氣中加入一定數(shù)量的氧氣或二氧化碳，可降低熔融金屬的表面張力，改善熔池的潤(rùn)濕性，克服陰極漂移現(xiàn)象，減小并消除氣孔。通常氧氣的加入量為4%～6%，二氧化碳的加入量為5%～20%。試驗(yàn)中筆者采用氬氣中加入4%氧氣和5%二氧化碳的混合氣體作為保護(hù)氣體。
選擇焊接填充材料時(shí)，應(yīng)考慮保證焊縫金屬的力學(xué)性能，滿足焊縫金屬的低溫沖擊韌性要求，盡可能采用低強(qiáng)度的焊接填充材料，不允許選用奧氏體焊接填充材料焊接12Ni14 低溫鋼時(shí)通常選用化學(xué)成分與之相近的3.5Ni 型焊絲，以滿足焊縫金屬在-100 ℃的低溫沖擊韌性要求。考慮到本設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度及經(jīng)濟(jì)適用性，同時(shí)根據(jù)國(guó)外使用經(jīng)驗(yàn)，決定選用2Ni 型焊絲焊接12Ni14 低溫鋼，2Ni型焊絲屈服強(qiáng)度為470MPa， 抗拉強(qiáng)度550MPa， 伸長(zhǎng)率24%，-62℃沖擊功Akv=27J，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。
3．焊接工藝試驗(yàn)
MAG焊接時(shí)，為獲得所需要的熔滴過(guò)渡形式和穩(wěn)定的焊接電弧，使焊縫成形良好，要選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)。短路過(guò)渡時(shí)，為防止焊道與坡口之間產(chǎn)生未熔合，應(yīng)注意焊炬的操作位置，使電弧略微朝前對(duì)向母材而不要對(duì)向熔池。MAG焊接時(shí)對(duì)熔池的保護(hù)效果要求比較高，保護(hù)不良時(shí)焊縫表面會(huì)氧化而引起皺皮，因此， 氣體噴嘴直徑以及保護(hù)氣體流量要比TIG焊的大，氣體噴嘴的直徑通常為φ3～φ16 mm，噴嘴至工件的距離通常選定為7～20mm。MAG焊接時(shí)焊絲選用φ1.2mm的細(xì)絲，電源種類和極性選用直流反接，以保證電弧的穩(wěn)定燃燒。保護(hù)氣體為91%Ar+4%O2+5%CO2混合氣，氣體流量為17～20L/min。焊接線能量控制在30kJ/cm，嚴(yán)格控制層間溫度，使其不大于200℃。典型的MAG焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。
分別對(duì)厚度為7mm、20mm和40mm的12Ni14鋼板進(jìn)行MA G焊接試驗(yàn)，根部焊道的焊接位置為45°立向下，熔滴為短路過(guò)渡形式，焊道厚度最大為4mm。其余焊道的焊接位置為10°向下，熔滴為射流過(guò)渡形式，焊道厚度最大為3mm，焊道寬度最大為20mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 。由表5可見(jiàn)，采用2Ni型焊絲焊接12Ni14 低溫鋼時(shí)，其焊接接頭的力學(xué)性能與12Ni14 低溫鋼的力學(xué)性能相匹配，可以滿足12Ni14低溫鋼在-80℃時(shí)的低溫沖擊韌性要求。
4．結(jié)語(yǔ)
根據(jù)文中的試驗(yàn)條件和結(jié)果，筆者編制了相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程，并且將其成功地應(yīng)用于進(jìn)料氣冷卻器的焊接中。產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合要求，其焊縫的硬度值最大為205Hv10，熱影響區(qū)的硬度值最大為197Hv10， 完全滿足技術(shù)條件的要求。
