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对高频焊接翅片管的分析

对高频焊接翅片管的分析 2011年12月04日 来源： 摘要：通过对翅片管的金相、硬度、焊着率、焊着强度的检验和模拟工况处理试验、冲击试验、水压试验，证明SA335P91钢管和0Cr13钢带螺旋翅片管的焊接工艺是可靠的，该类翅片管焊接后不用热处理。关键词：高频焊接；焊接工艺；检验；分析高频焊接螺旋翅片管（以下简称翅片管）是在上世纪50年代初研制的连接管材、型材等的一种高效节材焊接方法基础上，于70，80年代逐步发展成熟来的一种焊接方法。由于翅片管传热面积较大，传热效率更高，压降较小，所以在燃气炉及油—气混合料加热炉中， 综合换热性能明显优于同规格、材质的普通换热管、钉头管。以其为核心元件的各种换热设备在电力、化肥、化工、炼油装置里得到越来越广泛的应用。自上世纪80年代初，茂名石化机械厂就开发生产了翅片管，随着翅片管生产技术和生产装备技术不断提高，生产的翅片管的种类越来越多。不论是从产品的种类、质量上，还是在生产能力上，都已达到国内领先水平。同时焊接接头的抗拉强度及焊着率等重要质量指标均已达到或超过国内《高频电阻焊螺旋翅片管技术条件》和国外（API标准）的专业标准，已成为国内该类设备的制造基地。在生产过程中，对各类翅片管进行了相应的检验检测。在此通过对翅片管中焊接难度较大的一类SA335 P91耐热钢管与0Cr13钢带焊接质量的检测，从而对其焊接工艺进行分析，以期更好地开发和推广该类产品。1 焊接工艺性能分析1.1 基本原理翅片管是在无缝钢管外圆上按一定的螺距缠绕钢带（钢带垂直于钢管外圆的表面），以高频电流作焊接热源， 利用高频电流的集肤效应和电热效应，局部加热钢管与钢带的接触面及待焊区，使接触面达到塑性可焊状态，同时在翅片外侧施加顶锻力将接触处的金属氧化物、局部熔化物以及多余的塑态金属挤出，使钢管与翅片材料之间达到固态原子间的结合，从而实现接触面的塑性焊接，如图1所示。

1.2 SA335 P91耐热钢管和0Cr13钢带的焊接性1.2.1 母材的材质状况见表1。

1.4.2 管带母材的焊接性能分析P91属于ASME标准中的耐热钢牌号，相当于国内的9Cr1Mo钢，由于其合金含量较高，其组织特征为马氏体，具有相当高的空脆特性，供货状态为正火状态。在焊条电弧焊、氩弧焊等焊接方法中焊前预热和焊后热处理都是必不可少的。0Cr13钢带属于铁素体-马氏体不锈钢，该类钢高温时在（α+γ） 区， 快冷时，γ可转变成M （马氏体），常温成铁素体-马氏体组织，由于有部份γ转变成M，该类钢有部分热处理强化作用。在一般焊接中，该类钢的焊接具有淬硬裂纹倾向。在两相区加热时间过长时，也有铁素体长大的倾向，加剧了焊接应力对焊缝的破坏作用。但在翅片管高频焊中，由于焊接过程中高频电流的电热效应高度集中，电流穿透深度和影响区域都很小，仅限于宽2~3mm，深0.2~0.4mm的窄小范围内，发生热影响区相变，而由于邻近效应、电热效应造成的加热和热传导等原因使管上焊合点前20~50mm，后80~120mm范围内持续一定时间的加热、升温、降温的过程，起到了焊前预热，焊后回火的作用，可以消除其产生的淬硬裂纹倾向，这一点可以在后面的金相分析和硬度检验中得到证明。另外，由于高频焊具有焊接速度快、加热过程短、母材熔融量小，且熔化金属基本上被全部排开、热影响区相当窄小、主要靠原子力结合的特点，所以因材质原因造成对母材的不良影响比较小。试验证明可以忽略。2 工艺评定2.1 试样的制备及焊接2.1.1 焊接处理、顶锻轮及电极的准备对管料进行打砂处理，消除油污、锈迹、污物，不得有明显的凹坑； 钢带宽17.5mm， 保证边缘整齐，无毛刺、凹坑、卷边及拉裂。顶锻轮的制备要保证其对钢带的夹持在圆周方向上松紧均匀适度（约有0.1~0.2mm余量），内件相对转动轻松自如。电极极身与触头间的焊接牢固可靠，冷却顺畅，无泄漏。2.1.2焊接参数（表2）

2.2 试样的焊后检查2.2.1 外观检测见表3。

结论：外观检测符合Q/SH.MM.2.5—2000《高频电阻焊螺旋翅片管技术条件》中要求，试样合格。2.2.2 耐热钢P91与0Cr13翅片的接头金相组织检查（图2，图3）

从图2可看出：没有夹渣、未熔合和裂纹。从图3管侧金相图上看管侧从接合面起的组织依次为（淬火>回火）组织，回火马氏体，不完全正火组织（原组织铁素体F+正炎铁素体F'+正火珠光体P'）及正火组织（铁素体F+珠光体P）。2.2.3 管侧硬度检查在焊缝处开始，0~1mm的范围内选取11点，进行检查，结果见图4。

P91管的淬火硬度为HM300。此硬度表明，淬火区的马氏体已经发生了回火转变，因此P91管高频焊接后不需要进行热处理。因为管子淬火冷却后，在随后的翅片焊接中又受到临近效应的影响，重复受热，相当于回火处理。因此淬火组织已完全转变成回火组织，消除了淬硬裂纹产生的可能性，因此没有必要再重复进行回火处理。2.2.4 剥带检查（1）焊着率检查将支翅片管剥开2~3圈，每隔120°测一次，取焊缝平均宽度。依据焊着率=实际焊缝宽度/钢带名义厚度，取样测算焊着率，数据见表4。（2）焊着强度检查将试样加工成单翅片试件，并在两侧焊上拉伸杆，如图5所示。抗拉强度按《高频电阻焊螺旋翅片管技术条件》标准规定，焊着强度的检测结果见表5。

2.2.5 绕片前后及剥片前后管的冲击试验对比检查方法：分别选择了绕片前管材、剥开翅片后管侧母材、刨去焊缝热影响区后管母材进行冲击试验，结果见表6。

2.2.6 模拟工况热处理检查检查方法：按翅片管使用的温度变化状况，制定了比使用工况的热处理更加严格的方案，按图5在翅片管上取弦长30mm的单片样品5件，对其反复做5次升降温处理。再按图5结构做抗拉试验，测出抗拉强度。工作温变过程及热处理曲线见图6。

热处理试验后的抗拉强度试验结果见表7。

由表5~表7的结果可见：翅片管试样的焊着强度在热处理前后基本一致， 都能满足使用工艺要求，符合标准要求。3 产品的焊接3.1 焊接工艺（见表2）3.2 焊接过程状况电压：阳极电压在焊接过程中，随栅流变化做50~100V幅度的变化。电流：阳极电流在焊接过程中，随栅流变化做0.1~0.3A幅度的变化。焊合点状况： 焊合点处发出耀眼的黄白色光，且连续稳定。4 产品整体性能试验刮声：翅片管任选部位做刮声试验，均发出清悦的声音。焊后修整：翅片管身上没有明显的翅片接头痕迹，带头过渡圆滑，与管表面平滑过渡。外观尺寸检查：翅片高度14.8~15.4mm（标准≤25mm）；螺距5.95~6.05mm（标准3.8~40mm），翅片倾斜度0°~4°（标准≤8°）， 直线度0.3~0.8mm（标准≤1mm/m），5~8mm全长（标准≤10mm/全长）。水压试验：按图纸要求对此翅片管进行12MPa的水压试验，在加压、保压和卸压过程中，没有冒汗、蠕变和泄漏情况。5 结 论分析试件检测及产品整体性能试验的结果可见，P91翅片管的焊接工艺能满足《高频电阻焊螺旋翅片管技术条件》标准及制造合同的要求， 工艺可靠；该类翅片管焊接成后，不必进行焊后热处理，简化了工艺，降低了成本，有推广价值。

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