热风炉波纹管焊接修复
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【摘 要】 分析了宝山钢铁股份有限公司一高炉热风炉的波纹管补偿器破裂实效的原因，提出了有针对性的处理措施，完成修复并取得良好效果。
【关键词】 波纹管 不锈钢 异种钢 分析 焊接工艺
1 概述
波纹管是一种自由伸缩的弹性补偿元件，由于其具有变形补偿能力强、工作可靠、结构紧凑等诸多优点，已在各行业得到广泛应用。高炉热风炉的波纹管长时间在高温下运行，容易出现裂纹，其中燃烧室出口处的波纹管与管道焊接处，是母材为316L的补偿器与材质为Q235钢的异钢焊接，焊缝开裂最为严重。
2 原因分析及处理方法
316L不锈钢补偿器与接管的焊缝长期处于高温状态，由于两种材料物理性能、化学成分的不同和焊接缺陷，至使焊缝开裂，造成1310℃的热风从裂纹中泄漏，并将补偿器局部烧红，造成过烧和失效（晶间腐蚀）。由于损坏比较严重，如将原来焊缝打磨干净，重新焊接已无意义，决定对补偿器进行改造，就是沿着凸起部位的二分之一将其切割一圈，镶一块相同厚度，宽约110mm的Q235扁钢焊接，再与接管上的环板焊接。
3 焊接性分析
（1）补偿器母材牌号为316L（化学成分见表1），母材厚度4mm，最大碳含量0.03%，具有良好的塑性和韧性，耐蚀性能优良，尤其是耐晶间腐蚀性能良好，奥氏体超低碳不锈钢通过降低钢组织成分中碳含量，使晶间腐蚀基本上可得到避免，但仍有资料显示，含钼类超低碳不锈钢在敏感温度区间，其晶界会析出σ相并在析出处发生晶间腐蚀，另外杂质元素也可在晶界富集并且其影响程度远大于碳。
（2）奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性，要防止热裂纹的产生就要使焊缝形成双相组织，其中铁素体含量3-8%之间，控制化学成分的含量，增加钼、铬、锰等元素，减少热裂倾向。
（3）Q235的化学成分（见表1）。计算其碳含量，根据碳当量公式：CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，得出CE
（4）Q235钢是常用的碳素钢，其金相组织都有珠光体，所以称为珠光体钢，而316L不锈钢其金相组织是奥氏体，因此在两种钢焊接时将产生一系列同种钢焊接时不会发生的问题，使焊接发生困难。
（5）Q235钢的碳含量比316L不锈钢的碳含量高，在焊接时碳很活跃，熔合线的碳钢侧碳会扩散到不锈钢焊缝内，结果碳钢侧形成脱碳层，而奥氏体不锈钢焊缝内形成增碳层，焊缝接头受力时可能引起应力集中，降低接头高温韧性的持久强度和塑性。
（6）奥氏体钢和焊缝金属的线膨胀系数比珠光体钢母材大1.5倍而热导率只有珠光体钢的1/2左右，相差较大，使焊缝和熔合线附近产生附加拉应力，导致在熔合线上断裂。
（7）异种钢焊接时，熔池中心的温度比熔池边缘的温度要高，熔池边缘熔化的母材和填充金属不能充分的混合，与熔池内部的化学成分相差较大，靠近Q235钢熔合线附近，容易形成于焊缝内部金属成分不同，离熔合线附近Q235钢稀释作用越强烈。
综合上述，异种钢焊接的关键在于焊接材料的选择和熔合比的控制，通过正确选择焊接材料和选用规范的焊接参数、坡口样式，可以控制焊缝的熔合比，能在相当宽的范围调整焊缝的组织和成分，采用镍、铬含量较高的焊接材料，从而提高焊缝的抗裂性能。
4 焊接工艺
4.1 焊接材料
异种钢焊接的关键在于焊接材料的选择和熔合比的控制，从舍夫勒组织图（图1）大致可以判断熔合比，Q235钢与316L不锈钢焊接，我们所希望得到的焊缝组织是双相组织，熔合比控制在40%以内。只有A312焊条合适，A312焊条铬、镍含量较高且含有钼，焊缝接头也有抗高温性能，A312焊条属于钛钙性焊条，且具有良好的工艺性能，生产中应用也较普遍，所以316L不锈钢与Q235钢焊接采用A312焊条（化学成分见表2），确定焊条后可以根据其牌号选择与焊条化学成分相匹配的焊丝，牌号是H1Cr24Ni13Mo。
4.2 焊前准备
（1）坡口制备。补偿器和扁钢母材厚为4mm，根据现场施工条件，使用砂轮机将边缘打磨出坡口，采用V型坡口，角度70-80°，间隙1.5mm，由于V型坡口加工简单，且用氩弧焊打底，能保证打底层焊接质量，所以就采用了V型坡口。（2）将环板表面打磨，焊接前将焊缝坡口二边30mm范围内氧化物、油漆等杂物清理干净，并打磨出金属光泽，与扁钢对接。（3）焊材准备。焊条在使用前应先进行挑选，剔除药皮开裂，偏心的焊条，焊条专人看管，使用前经250℃-300℃烘培1小时，取出后放在100℃保温箱内随取随用，焊条烘焙不能超2次。（4）焊接参数。为了控制熔合比和减少热裂纹产生倾向，使用小电流、快速焊，焊接参数见（表3）。（5）焊接设备采用逆变焊机，根据现场修复设备工艺特点，故采用ZX7-400型焊机。（6）补偿器涂石灰粉，防止飞溅和电弧擦伤金属表面，造成点状腐蚀和应力腐蚀。（7）采用手工钨极氩弧焊加焊条电弧焊焊接Q235钢与316L不锈钢补偿器的焊接方法，焊工应持有压力容器焊接合格证，并持有相应的考核项目。
5 操作步骤
（1）沿着凸起部位的二分之一将其切割一圈，用砂轮割片切割再将接管与补偿器的焊缝用切割砂轮机进行修磨。将补偿器中的铠装环用螺母紧固，以防止焊接时不锈钢热膨胀带来的变形。（2）定位焊。弯好的扁钢分成两半分别与不锈钢对接，在对接过程中控制错边量，采用钨极氩弧焊点固，焊丝型号与正常焊接用填充材料相同，直径要稍细，点固时注意定位焊的厚度，不超过工件厚度的1/2，定位焊长度在每点长度50～60mm左右，每半对称点4点，收弧时要填满熔池，防止弧坑裂纹。点固后检查点固焊缝是否有裂纹，如有的话，要及时清除并移位后再行点固。（3）管内充氩气。为了防止不锈钢管道在焊接过程中背面产生剧烈氧化，焊接前，先对管内充氩气，用氧含量检测仪在焊缝处检测，确保管内氩其充满。（4）打底层焊接采用手工钨极氩弧焊，采用分段对称的焊接方法（150mm-200mm），减少热输入，可以降低薄板的变形量，分段焊时须注意每焊完一段后，进行适当的冷却，使用沾水的棉纱擦拭不锈钢侧的热影响区，防止在敏感温度区域内停留时间过长，再涂石灰粉，起弧时将焊枪对准碳钢侧起弧，适当的预热，降低熔池中心与边缘的温度差，收弧时焊枪摆到坡口边缘利用衰减收弧。收弧后，焊枪喷嘴仍要对准熔池以延续氩气保护效果。（5）焊接完打底层后，待焊缝冷却至室温，用高速钢锯条将焊道上的氧化物去除，PT检查有无裂纹的存在，合格后进行盖面层的焊接。（6）盖面层焊接材料用A312焊条，焊条直径2.5mm，焊接电流60-70A左右，焊接时从底部六点钟位置向十二点方向焊接，焊接时也采用分段对称焊，小电流快速焊，焊条不要作横向摆动，注意熔池的宽窄度一致，焊缝表面波纹光滑，并且焊缝同母材圆滑过渡，使焊缝接头的应力得以均布，焊缝余高0-1mm。
6 结语
此焊接工艺适用于碳钢与奥氏体钢直接施焊，A312及H1Cr24 Ni13Mo2焊材是比较常用的焊接材料，其塑性和韧性较好，且镍和钼含量较高，运用该焊接工艺改造后至今，经过一年的运行，异种钢焊接接头情况良好，为以后该种类以及类似波纹管失效处理，提供了借鉴。
参考文献：
[1]中国机械工程学会焊接学会《焊工手册》[M].第2版.北京：机械工业出版社，2001.8.