摘要：闡述了12Ni14 低溫鋼的焊接特點、焊接材料的合理選擇以及MAG 焊接工藝試驗，提出了在12Ni14低溫鋼換熱器焊接時應采取的工藝措施。
關鍵詞：換熱器；MAG焊接；12Ni14低溫鋼
某公司生產的纏繞管式換熱器為大型氮肥裝置中的進料氣冷卻器，該設備規格為φ2000mm×8000 mm×44mm，設計壓力5.8 MPa， 設計溫度-75～55℃，主體材料均采用從歐洲進口的12Ni14低溫鋼。根據歐洲標準規定，該含鎳型低合金鋼可用于低溫壓力容器制造。筆者對12Ni14低溫鋼進行了材料試驗及驗證，在此基礎上又進行了焊接工藝試驗，并將其用于纏繞管式換熱器的制造。
1．12Ni14 低溫鋼焊接特點
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度、塑性和韌性，同時還應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 優質鋼的基礎上，加入質量分數為3.25%～3.75%的鎳等少量合金元素得到的低合金高強度低溫用鋼。歐洲標準EN 10028-4規定的12Ni14 低溫鋼化學成分及力學性能見表1 和表2。
由表1 可見， 12Ni14 低溫鋼含碳量不大于0.15 %，合金元素總含量不大于5%，其碳當量小于0.41%。由于碳當量不高，淬硬傾向較小，室溫下焊接時不易形成冷裂紋。鋼中硫、磷等雜質元素的含量較低，故不易產生熱裂紋，其焊接性良好。通常鋼板厚度小于15mm 時不需要預熱， 當板厚超過25mm或焊接接頭剛性拘束較大時，則應考慮預熱，以防止產生焊接裂紋。但是，若預熱溫度過高，會使熱影響區晶粒長大，并可能在晶界析出氧化物和碳化物而降低鋼的韌性。所以預熱溫度一般控制在100～150℃，最高不能超過200℃。
焊接12Ni14 低溫鋼時須注意：①嚴格控制焊接線能量和層間溫度，避免因熱影響區晶粒長大而降低韌性。②焊接時焊條不應擺動，嚴格控制各層焊道厚度。③嚴格控制焊后熱處理溫度，避免回火脆性。鋼板厚度大于15mm時，焊后大多采用消除應力熱處理，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一側打鋼印。④母材、熱影響區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，不需進行熱處理。冷變形量大于2%而不大于5%時，需進行消除應力熱處理。冷變形量大于5%時，需進行正火或回火熱處理。
2．焊接材料選擇
對12Ni14低溫鋼的焊接，熔化極氣體保護焊將更多地替代手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。焊接時采用惰性氣體氬氣或氦氣作為保護氣體的熔化極氣體保護焊通常稱為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焊通常稱為MAG焊。用純氬氣焊接低合金鋼時，陰極斑點漂移大，易造成電弧燃燒不穩定。而在氬氣中加入一定數量的氧氣或二氧化碳，可降低熔融金屬的表面張力，改善熔池的潤濕性，克服陰極漂移現象，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氣體。
選擇焊接填充材料時，應考慮保證焊縫金屬的力學性能，滿足焊縫金屬的低溫沖擊韌性要求，盡可能采用低強度的焊接填充材料，不允許選用奧氏體焊接填充材料焊接12Ni14 低溫鋼時通常選用化學成分與之相近的3.5Ni 型焊絲，以滿足焊縫金屬在-100 ℃的低溫沖擊韌性要求。考慮到本設備的設計溫度及經濟適用性，同時根據國外使用經驗，決定選用2Ni 型焊絲焊接12Ni14 低溫鋼，2Ni型焊絲屈服強度為470MPa， 抗拉強度550MPa， 伸長率24%，-62℃沖擊功Akv=27J，其化學成分見表3。
3．焊接工藝試驗
MAG焊接時，為獲得所需要的熔滴過渡形式和穩定的焊接電弧，使焊縫成形良好，要選擇適當的焊接工藝參數。短路過渡時，為防止焊道與坡口之間產生未熔合，應注意焊炬的操作位置，使電弧略微朝前對向母材而不要對向熔池。MAG焊接時對熔池的保護效果要求比較高，保護不良時焊縫表面會氧化而引起皺皮，因此， 氣體噴嘴直徑以及保護氣體流量要比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焊接時焊絲選用φ1.2mm的細絲，電源種類和極性選用直流反接，以保證電弧的穩定燃燒。保護氣體為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，嚴格控制層間溫度，使其不大于200℃。典型的MAG焊接工藝參數見表4。
分別對厚度為7mm、20mm和40mm的12Ni14鋼板進行MA G焊接試驗，根部焊道的焊接位置為45°立向下，熔滴為短路過渡形式，焊道厚度最大為4mm。其余焊道的焊接位置為10°向下，熔滴為射流過渡形式，焊道厚度最大為3mm，焊道寬度最大為20mm。試驗結果見表5 。由表5可見，采用2Ni型焊絲焊接12Ni14 低溫鋼時，其焊接接頭的力學性能與12Ni14 低溫鋼的力學性能相匹配，可以滿足12Ni14低溫鋼在-80℃時的低溫沖擊韌性要求。
4．結語
根據文中的試驗條件和結果，筆者編制了相應的焊接工藝規程，并且將其成功地應用于進料氣冷卻器的焊接中。產品焊接試板的力學性能試驗結果符合要求，其焊縫的硬度值最大為205Hv10，熱影響區的硬度值最大為197Hv10， 完全滿足技術條件的要求。
