钛制换热器薄壁管与管板焊接优化工艺

钛设备的特点不同于碳素钢､不锈钢及其它金属设备,其制造工艺也有别于以上金属设备｡某厂使用的换热器结构为方形管板(引进技术,替代产品),换热管的数量为468根,换热管和管板均为工业纯钛(TA2),换热管的壁厚仅为0.8mm｡换热管与管板的焊接有较大的难度｡在化工设备中,换热器的换热管壁厚一般在2mm左右,管端相对于管板可以是伸出或缩进,也可以与管板平齐,而壁厚较小的换热管只能采用与管板平齐或管端伸出1mm~2mm的接头型式｡

1、钛材焊接特性及主要问题分析

1.1 氢脆与铁污染

钛非常容易吸收氢､氧､氮,特别是氢,因为氢扩散速度较快,温度不高时也容易被钛吸收,而使钛变脆｡当钛加热到300~C时,开始吸氢,当加热到400℃时,钛对氢､氮､氧都具有较高的化学活性,当温度超过600℃时,钛急剧地氧化､氮化,并与氢生成氢化钛((TiH₂),从而使钛发生体积膨胀,产生晶间应力,进而形成裂纹｡另外铁污染亦造成钛设备的抗腐蚀性能下降､焊接性能变差､产生氢脆等危害｡此外,多次在焊缝部位高温加热,对钛设备的内在性能和质量亦有不容忽视的影响[1]｡

1.2 管子-管板连接的密封性

管子-管板焊接接头在运行过程中发生泄漏是换热器不能正常工作的主要原因｡国内外技术规则对管子-管板焊接接头的参数变化和质量评价都作了严格的规定,为保证产品质量,需要用试验方法确定焊接工艺和参数｡

管子与管板焊接接头要求焊缝成形均匀,根部熔合良好,焊缝厚度满足设计要求,焊后管孔的内缩量一般不超过管孔内径的l0%｡对于薄壁的换热管与管板的焊接接头,允许形成熔池的体积小,否则会导致管孔内缩量超标,影响进一步的胀管工序和工作时的换热效率｡因此,在焊接时必须严格控制焊接热输入､熔池形状,使焊接接头处既形成完整的熔池又不使管口出现过大的内缩｡

管壁厚度1mm以下的管子一管板接头,在焊接过程中管端容易向内翻边,无法将管子与管板焊接在一起｡主要原因是管与管板装配后总有一定的间隙,管板厚而管子薄,焊接时管板孔边缘还未熔化而管子已熔化,从而造成管子向内翻边,无法形成焊接熔池｡

为适应钛制薄壁管与管板的焊接,必须采用脉冲TIG焊接方法,通过试验适当调整焊接参数,同时使用特殊的工装和定位方式,保证焊缝内在质量和满意的焊缝成形｡

2、焊接工艺与优化措施

2.1焊接方法､设备与施工环境

钛设备的焊接应在干净､专用的车间或区域进行,场地应铺设橡胶或其它软制材料,从事有关钛设备的制造､检验等人员应穿橡胶鞋或其它软底鞋｡所使用的钢铁类机具亦不能直接接触钛设备[2]｡

目前,国内外换热器管子一管板接头焊方法主要以自动TIG焊为主,而对薄壁管最好采用脉冲TIG焊方法｡脉冲自动TIG焊方法,焊接过程脉冲式加热,熔池金属高温停留时间短,金属冷却快,并且电弧挺度好,能量集中,适用于全位置焊接头,有利于调整焊接能量和控制熔池形状,使焊缝一周的成型均匀,焊接过程稳定,是较为理想的焊接薄壁管与管板接头的工艺方法｡

用于管子一管板自动TIG焊的焊接设备,应保证定位准确,调整方便,能够对多个焊接参数进行编程和调整｡设备亦能够对提前送气､滞后停气､预热及脉冲参数等全位置管子一管板自动焊所必须的参数进行编程,满足焊接过程对程序参数的要求和参数的精确执行[3]｡

2.2焊接材料及其选用

首先是母材及焊丝中的氢､氧､氮､碳要尽可能少,实践证明,钛材的含碳量较低((≤0.1%))时焊接裂纹产生的概率很小｡其次是严格控制氩气的纯度,要求(A_r>99.99%):(N<0.005%):(O<0.002%) 1(H<0.002%);水分在0.001mg/L以下。施工中采用管子和管板材料及规格分别为:管子TA2φ16ml×0.8mm,管板(TA2δ=52mm)。

2.3接头形式与焊接参数

按设计要求的有效焊缝厚度应不小于1倍的管壁厚度即大于等于0.8mm｡为此,按上述要求,管板不需要倒角｡因管壁较薄,焊后无法保留管端,管端伸出管板的长度确定为1.5mm~2mm｡

焊接参数是否适当直接影响焊接质量,焊接参数的调整是制定焊接工艺的重要依据｡对于管子一管板的焊接,焊接参数对接头内在质量和外观成形均有影响(特别是钨极与管板的相对位置等)[4]｡根据结构特点,通过试验采用了如表1所示的参数,取得了满意结果｡

其它参数如,钨极与管板的距离为1.5mm~2mm,距管壁的距离为1.5mm~2mm,钨极与管轴线夹角为0°,焊缝搭接长度≥5mm｡

2.4钨极及其形状加工

通常采用2.5mm铈钨极｡钨极的规格和端部形状影响许用电流､引弧､稳弧以及焊缝熔深､熔宽｡要求焊缝具有较大的熔深､较小的熔宽,因此,使用尖端锥角较小的钨极较好｡钨极尖端的尺寸为,锥角20°~30°,尖角部位半径0.3mm~0.5mm｡

2.5焊接定位和工装使用

由于焊接时,钨极距管板的距离小,点焊定位,焊点处易短路造成断弧,焊点两侧熔合不好,因此,管子与管板采用胀接的定位方式｡机械胀定位后,管端与管板间仍然存在间隙,为防止管端向内翻边,焊接前用工装将管端与管孔贴合紧密,使焊接过程中管端与管孔温度保持一致,同时熔化,形成共同的焊接熔池而达到焊接的目的[5]｡工装选用与换热管硬度相当的材料,加工成锥形扩口工装｡将小头插入管口,适度锤击工装的大头侧,使管口扩大,管口壁与管板贴紧为宜｡

2.6氩气保护效果判别法及缺陷返修

氩气保护方面,也应引起足够的重视｡因钛在350℃以上时会强烈吸氢､脆化,引起气孔及裂纹,焊接时必须将焊接接头及附近区域保护到200℃为止｡氩气保护的效果将影响焊缝质量,它可由焊缝表面颜色来检查[6],如表2所示｡

焊接时,一旦发现焊后颜色不是银白色或金黄色,应及时磨去重新焊接｡但要严格控制返修､补焊工艺与次数｡

焊缝同一部位的焊补次数不宜超过2次,如超过,焊补前应经单位技术总负责人批准,并采取可靠的技术措施[7]｡

3、结语

采用上述焊接工艺和工装,焊接试板､焊接接头表面光滑,焊缝均匀｡剖开焊缝检查,焊缝根部熔合良好,焊缝尺寸满足要求｡上述工艺用于产品焊接,取得了满意结果,经密封性检查和表面100%渗透检查,一次合格｡安装后产品运行状况一直良好,未发生管端焊缝泄漏现象｡实践使我们体会到:脉冲TIG焊接方法可精确地控制焊接热输入和熔池尺寸,是焊接钛制薄壁换热管与管板接头的较佳焊接工艺｡

参考文献

[1]阮鑫.钛材焊接缺陷分析与焊接质量控制[J].机械工程材料,2004,28(8):52

[2]阮鑫,王成君.钛设备制造中焊接裂纹形成机理及防范对策研究[J].钛工业进展,2004,2l(3):35

[3]康浩方.国外钛设备的焊接技术现状[J].钛工业进展,2003,20(4~5):70

[4]徐明文.化工机械制造[M].北京:化学工业出版社,1995

[5]张麦秋.化工机械制造安装修理[M].北京:化学工业出版社.2001

[6]中国机械工程学会焊接学会编.焊接于册(第二卷):材料的焊接[M].北京:机械工业出版社,1992

[7]冯兴奎.过程设备焊接[M].北京:化学工业出版社,2003

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