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摘 要：本文通过对公司目前正在生产的太阳能锅炉蒸汽换热管组件焊接工艺设计的讨论，了解蒸汽换热管组件的结构特点，对蒸汽换热管组件进行了结构工艺性分析；同时讨论了盘换热管、集管材料的焊接性，及对应的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数，确定适合于换热管组件焊缝的焊接工艺评定及焊工资格要求，以保证应用于产品实际生产中，结构设计的合理性，工艺的可行性，使用的可靠性和经济性。
关键词：焊接性；焊接规范；焊工项目
0 前 言
换热管集管结构作为太阳能锅炉的重要结构之一，它的设计、制造、防护都是保证锅炉质量的重要环节，作为流体物质加热与冷却的载体，一方面换热管集管的质量好、使用寿命时间长，能够保证锅炉的经济效益，减少锅炉的制造、维护成本；另一方面，如果在使用过程中换热管因质量问题出现爆管问题，则会造成巨大的经济损失以及安全事故发生。因此，结合公司目前的太阳能项目中蒸发器产品的制作过程，对换热管集管结构的焊接工艺分析讨论，是非常有必要的。
1 换热管集管结构工艺性审查
1.1 图纸中盘管蒸汽设计温度为400℃，设计压力12.9MPa，水压试验压力达到19.35 MPa。焊后产品需进行消应力热处理。换热管材质为SA-210-A1，规格为?38.1×5，符合标准《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子SA-210》；集管材质为SA-106-B，规格为?323.9×33.3，符合标准《高温用无缝碳钢公称管SA-106》。
1.2 换热管与集管组装形式参见图㈠。换热管拼接接头形式采用对接接头，参见图㈡。换热管与集管连接接头采用骑座式，参见图㈢。对接接头受力均匀，应力集中小，满足盘管结构要求。换热管集管是有机物流体的载体，其中有机物对其有一定的腐蚀影响，因此所选择的焊接方法，要保证接头焊透，避免焊接缝隙形成尖角和结构死区，以便流体介质排放与清洗，防止底部沉积。同时在材料许可及满足工艺的前提下，确保换热管上尽量少的焊缝数量以及尽量少的焊缝填充金属，以减少焊接量，确保焊接后构件的变形量应在技术条件许可的范围内。另外要考虑接头有良好的施焊位置即可焊到性好，同时保证对接接头的可探伤性（一般RT），以获得高质量焊缝。
图 ㈠ [1-集管/2-换热管] 图 ㈡ 图 ㈢
2 换热管集管组件的焊接
2.1 材料焊接性分析
2.1.1 换热管与集管的化学成分及其力学性能参见表1和表2。
2.1.2 分析表1，碳的质量分数较低，硅、锰含量又较少，因此在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织和产生淬火组织，其强度不高，塑性和冲击韧度优良。对焊接电源和焊接材料没有特殊要求。焊接接头的塑性和冲击韧度也很好，产生裂纹的倾向小，焊接时一般不需预热、控制道间温度和后热，其焊接性优良。
2.2 焊接方法、焊接材料及焊接参数选择
2.2.1 焊接方法选择
根据产品图纸要求，图㈡、图㈢所示焊缝选择钨极气体保护焊，手工操作，氩气做保护气体（后面简称GTAW）。氩气属于惰性气体，以单原子形式存在，在高温时不发生分解，不与金属起任何化学反应。在焊接过程中，不会使被焊金属氧化，氩气不溶解于焊缝金属，不会引起气孔产生，因而也无需采用脱氧等化学反应来消除气孔。GTAW电弧稳定、飞溅小，容易控制焊缝成形及实现单面焊双面成形。电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，所以焊接速度较快，热影响区域窄，工件焊接以后变形小。
2.2.2 焊接材料选择
低碳钢焊接时选择焊接材料应遵循等强度匹配的原则。因此根据换热管集管材料强度等级及产品的实际工作条件选择焊丝牌号为ER70S-G。根据母材厚度及施焊位置，选择规格为Ф2.0mm的焊丝可以满足焊接的需要。ER70S-G焊丝的Mn和Si合金元素的含量比较高，可使焊缝金属充分脱氧，可以补充焊接过程中烧损的合金元素。并且该焊丝表面经过镀铜处理，施焊时导电性能良好，焊缝美观。
2.2.3 焊接参数选择
焊接电流是根据工件的材料性质与厚度来决定的。当焊接电流太大时，易引起焊缝咬边、漏焊等缺陷；反之，焊接电流太小时，易形成未焊透焊缝。因此盘管对接焊时选择焊接电流为100～120（A）。
当弧长增加时，电弧电压即增加，焊缝熔宽和加热面积都略有增加。但弧长超过一定范围后，会因电弧热量的分散使热效率下降，电弧力对熔池的作用减小，同时会使空气中的氮侵入熔池，容易出现氮气孔。一般在保证不短接的情况下，应尽量采用较短的电弧进行焊接。因此焊接时选择焊接电压为14～16（V）。
焊接时，焊缝获得的热输入反比于焊接速度。其他条件不变时，焊接速度越小，热输入越大，焊接凹陷深度、熔深、熔宽都相应增大，焊缝易产生焊穿和咬边现象。当焊接速度过快时，焊缝易产生未焊透、气孔、夹渣和裂纹等缺陷。因此焊接时选择焊接速度为10～16（cm/min）。
保护气体流量和喷嘴孔径的选择是影响气体保护效果的重要因素。为了获得良好的保护效果，必须使保护气体流量与喷嘴孔径匹配，同时考虑焊接电流和电弧长度的影响，焊接时选择气体流量为5～8 （L/min）。
钨极直径的选择取决于工件厚度、焊接电流的大小、电流种类和极性。钨极直径大小和端部的形状影响电弧的稳定性和焊缝成形，因此施焊时钨极直径为2.4mm。
2.3 PQR及WPQ要求
依据ASME Ⅸ标准要求，结合图㈡、图㈢结构，选择能够覆盖接头两侧母材厚度的P-NO.1，GTAW的PQR，以支持所要进行的焊接工艺的可行性。施焊图㈡结构的焊工应为通过管-坡口焊缝6G位置评定的焊工；图㈢结构为骑座式，是在管子侧开坡口，因此施焊图㈢结构的焊工也须通过上面的评定。
2.4 焊接工艺过程及要求
组装前母材待焊区每侧20mm范围内除去油污、铁锈等杂物，并打磨露出金属光泽。检查错变量、间隙，按图㈡、图㈢所示节点图点焊组装，四周点固均匀。严格按工艺要求和焊接工艺参数施焊。焊后去除焊渣，外观检查，合格后在规定部位打上焊工钢印，并交检验员检验。图㈡焊缝按ASME Ⅸ进行100%RT检测，图㈢焊缝按ASME Ⅸ进行100%MT检测，并要求采用拍照方式显示焊缝背面的成形和熔透情况。
3 工艺评价
本次太阳能项目共7套换热管集管组件，图㈢所示接头共1250个，按照图纸和标准要求一次性合格率96%，图㈡所示换热管拼接接头共750个，一次性合格率98%。达到了公司预期的质量目标，工艺设计得到了验证和认可，可以在同类型其它项目中普遍应用。
参考文献：
[1]ASME Ⅸ 焊接和钎接标准，2010版
[2]NB/T47014-2011（JB/T4708）《承压设备焊接工艺评定》
[3]《焊接工程师手册》.陈祝年编著.北京：机械工业出版社，2002
关键词：焊接性；焊接规范；焊工项目
0 前 言
换热管集管结构作为太阳能锅炉的重要结构之一，它的设计、制造、防护都是保证锅炉质量的重要环节，作为流体物质加热与冷却的载体，一方面换热管集管的质量好、使用寿命时间长，能够保证锅炉的经济效益，减少锅炉的制造、维护成本；另一方面，如果在使用过程中换热管因质量问题出现爆管问题，则会造成巨大的经济损失以及安全事故发生。因此，结合公司目前的太阳能项目中蒸发器产品的制作过程，对换热管集管结构的焊接工艺分析讨论，是非常有必要的。
1 换热管集管结构工艺性审查
1.1 图纸中盘管蒸汽设计温度为400℃，设计压力12.9MPa，水压试验压力达到19.35 MPa。焊后产品需进行消应力热处理。换热管材质为SA-210-A1，规格为?38.1×5，符合标准《锅炉和过热器用无缝中碳钢管子SA-210》；集管材质为SA-106-B，规格为?323.9×33.3，符合标准《高温用无缝碳钢公称管SA-106》。
1.2 换热管与集管组装形式参见图㈠。换热管拼接接头形式采用对接接头，参见图㈡。换热管与集管连接接头采用骑座式，参见图㈢。对接接头受力均匀，应力集中小，满足盘管结构要求。换热管集管是有机物流体的载体，其中有机物对其有一定的腐蚀影响，因此所选择的焊接方法，要保证接头焊透，避免焊接缝隙形成尖角和结构死区，以便流体介质排放与清洗，防止底部沉积。同时在材料许可及满足工艺的前提下，确保换热管上尽量少的焊缝数量以及尽量少的焊缝填充金属，以减少焊接量，确保焊接后构件的变形量应在技术条件许可的范围内。另外要考虑接头有良好的施焊位置即可焊到性好，同时保证对接接头的可探伤性（一般RT），以获得高质量焊缝。
图 ㈠ [1-集管/2-换热管] 图 ㈡ 图 ㈢
2 换热管集管组件的焊接
2.1 材料焊接性分析
2.1.1 换热管与集管的化学成分及其力学性能参见表1和表2。
2.1.2 分析表1，碳的质量分数较低，硅、锰含量又较少，因此在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织和产生淬火组织，其强度不高，塑性和冲击韧度优良。对焊接电源和焊接材料没有特殊要求。焊接接头的塑性和冲击韧度也很好，产生裂纹的倾向小，焊接时一般不需预热、控制道间温度和后热，其焊接性优良。
2.2 焊接方法、焊接材料及焊接参数选择
2.2.1 焊接方法选择
根据产品图纸要求，图㈡、图㈢所示焊缝选择钨极气体保护焊，手工操作，氩气做保护气体（后面简称GTAW）。氩气属于惰性气体，以单原子形式存在，在高温时不发生分解，不与金属起任何化学反应。在焊接过程中，不会使被焊金属氧化，氩气不溶解于焊缝金属，不会引起气孔产生，因而也无需采用脱氧等化学反应来消除气孔。GTAW电弧稳定、飞溅小，容易控制焊缝成形及实现单面焊双面成形。电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，所以焊接速度较快，热影响区域窄，工件焊接以后变形小。
2.2.2 焊接材料选择
低碳钢焊接时选择焊接材料应遵循等强度匹配的原则。因此根据换热管集管材料强度等级及产品的实际工作条件选择焊丝牌号为ER70S-G。根据母材厚度及施焊位置，选择规格为Ф2.0mm的焊丝可以满足焊接的需要。ER70S-G焊丝的Mn和Si合金元素的含量比较高，可使焊缝金属充分脱氧，可以补充焊接过程中烧损的合金元素。并且该焊丝表面经过镀铜处理，施焊时导电性能良好，焊缝美观。
2.2.3 焊接参数选择
焊接电流是根据工件的材料性质与厚度来决定的。当焊接电流太大时，易引起焊缝咬边、漏焊等缺陷；反之，焊接电流太小时，易形成未焊透焊缝。因此盘管对接焊时选择焊接电流为100～120（A）。
当弧长增加时，电弧电压即增加，焊缝熔宽和加热面积都略有增加。但弧长超过一定范围后，会因电弧热量的分散使热效率下降，电弧力对熔池的作用减小，同时会使空气中的氮侵入熔池，容易出现氮气孔。一般在保证不短接的情况下，应尽量采用较短的电弧进行焊接。因此焊接时选择焊接电压为14～16（V）。
焊接时，焊缝获得的热输入反比于焊接速度。其他条件不变时，焊接速度越小，热输入越大，焊接凹陷深度、熔深、熔宽都相应增大，焊缝易产生焊穿和咬边现象。当焊接速度过快时，焊缝易产生未焊透、气孔、夹渣和裂纹等缺陷。因此焊接时选择焊接速度为10～16（cm/min）。
保护气体流量和喷嘴孔径的选择是影响气体保护效果的重要因素。为了获得良好的保护效果，必须使保护气体流量与喷嘴孔径匹配，同时考虑焊接电流和电弧长度的影响，焊接时选择气体流量为5～8 （L/min）。
钨极直径的选择取决于工件厚度、焊接电流的大小、电流种类和极性。钨极直径大小和端部的形状影响电弧的稳定性和焊缝成形，因此施焊时钨极直径为2.4mm。
2.3 PQR及WPQ要求
依据ASME Ⅸ标准要求，结合图㈡、图㈢结构，选择能够覆盖接头两侧母材厚度的P-NO.1，GTAW的PQR，以支持所要进行的焊接工艺的可行性。施焊图㈡结构的焊工应为通过管-坡口焊缝6G位置评定的焊工；图㈢结构为骑座式，是在管子侧开坡口，因此施焊图㈢结构的焊工也须通过上面的评定。
2.4 焊接工艺过程及要求
组装前母材待焊区每侧20mm范围内除去油污、铁锈等杂物，并打磨露出金属光泽。检查错变量、间隙，按图㈡、图㈢所示节点图点焊组装，四周点固均匀。严格按工艺要求和焊接工艺参数施焊。焊后去除焊渣，外观检查，合格后在规定部位打上焊工钢印，并交检验员检验。图㈡焊缝按ASME Ⅸ进行100%RT检测，图㈢焊缝按ASME Ⅸ进行100%MT检测，并要求采用拍照方式显示焊缝背面的成形和熔透情况。
3 工艺评价
本次太阳能项目共7套换热管集管组件，图㈢所示接头共1250个，按照图纸和标准要求一次性合格率96%，图㈡所示换热管拼接接头共750个，一次性合格率98%。达到了公司预期的质量目标，工艺设计得到了验证和认可，可以在同类型其它项目中普遍应用。
参考文献：
[1]ASME Ⅸ 焊接和钎接标准，2010版
[2]NB/T47014-2011（JB/T4708）《承压设备焊接工艺评定》
[3]《焊接工程师手册》.陈祝年编著.北京：机械工业出版社，2002