钛制管板换热器的自动焊接技术.doc

钛制管板换热器的自动焊接技术陈国余 陈春阳 庄杰昆山华恒焊接设备技术有限公司 215301摘要：本文结合钛制换热器的管板焊接特点，着重介绍该类换热器自动焊时需要解决的几个问题，即气体保护装置、送丝系统和水冷定位器，从而保证管板焊接质量。关键词：钛及其合金 管板自动焊 保护 送丝 水冷定位前言 钛及其合金由于其比强度高，早期大量地使用在航空、航天等尖端领域。然而随着石油、化工行业近些年的飞速发展，由于钛及其合金优越的耐蚀性能，在氧化性、中性及氯离子介质中，其耐蚀性能均优于不锈钢，甚至超过1Cr18Ni9Ti不锈钢的十倍，年腐蚀裕度非常小，因而钛及其合金现在越来越受到该行业的青睐，被广泛制造成复合板、反应釜、分离塔或各类换热器等。该行业由于使用了钛制设备，大大降低了维修及更换设备次数，从而节约了时间和生产成本。本文结合钛制换热器的管板焊接特点，着重介绍该类换热器自动TIG焊时需要解决的几个问题，从而保证焊接质量。1、 钛制管板换热器结构和连接方式 目前钛制管板换热器结构基本采用以下方式：管平头：管口伸出管板端面01mm 连接方式根据产品设计要求有以下两种方式：u 胀接加密封自熔焊u 加丝强度焊2、 钛及其合金管板焊接特点 钛制管板换热器常采用材料为工业纯钛TA1、TA2和钛合金TC4，其化学成分和力学性能分别见表1和表2 表1 钛及其合金化学成分（%）合金牌号化学成分组主要成分杂质TiAlVFeSiCNHOTA1工业纯钛其余0.150.100.050.030.0150.15TA2工业纯钛其余0.300.150.100.050.0150.20TC4Ti-6Al-4V其余5.5-6.83.5-4.50.300.150.100.050.0150.20表2 钛及其合金力学性能合金牌号名义成分热处理状态抗拉强度MPa延伸率%冷弯角度TA1工业纯钛退火340-49030130TA2工业纯钛退火440-5902590TC4Ti-6Al-4V退火9001030 钛由于液态金属流动性好，表面张力大，因而焊接时焊缝成型非常均匀、美观，但由于钛是一种活泼金属，高温下钛与氧、氢、氮反应速度较快，钛在300以上快速吸氢，600以上快速吸氧，700以上快速吸氮，因而焊接钛及其合金时，重点要保护300以上的区域，在钨极氩弧焊时，仅仅依靠喷嘴保护是不够的，要辅以拖罩局部或整体保护方式，否则会造成焊缝吸氧、吸氢、吸氮，从而导致焊缝塑性下降，脆化程度加重。钛制管板换热器的焊接保护是否正确或合适，可通过焊缝及热影响区的颜色来检验，见表3表3 钛制管板焊缝及热影响区的表面颜色焊缝热影响区银白、淡黄深黄金紫深兰银白、淡黄深黄金紫深兰允许不允许不允许不允许允许不允许不允许不允许 此外，钛及其合金只要焊前进行严格的清理工作，选择合适的焊接填充材料（焊丝）和99.99%Ar作保护气，气孔和裂纹等缺陷是可以避免的。综上所述，钛制管板焊接重点要解决保护问题。 另外，钛制管板换热器的焊接相对碳钢、不锈钢的管板焊还需解决送丝稳定性和水冷定位问题。3、 焊接设备 钛制管板自动TIG焊设备包括管焊电源和管焊枪头两部分。 管焊电源采用EWA406程控TIG焊电源。它编程界面非常简单易学、实用；响应精度高；可对焊接过程中气体、电流、焊速、送丝速度等进行编程控制；焊接过程中电流、速度等还可根据情况分区间使用。管焊枪头和其它形式的管焊枪头结构类似，只是在气体保护、送丝和水冷定位上稍作改动，从而满足钛制换热器的焊接要求。31气体保护装置除了焊炬的喷嘴保护外，我们采用整体保护方式，即整个焊接过程在一密闭透明气罩中进行。密闭气罩保护装置示意图见图1，调整环内径尺寸根据换热管外径尺寸和管桥尺寸而定，例如：管外径25mm，管桥7mm，那么调整环内径应做成30mm比较合适。该尺寸不宜过大或过小，过大，气体易从别的管口跑掉，造成罩内空气排不干净，从而焊接时污染焊缝；过小，虽然保护好了，但是电弧会熔化其边缘，此外会影响焊枪角度调整，不易操作。图1 密闭气罩保护装置32送丝系统送丝系统除动力外，主要由送丝轮、送丝管、送丝嘴组成。钛管板焊接用的焊丝根据管和板的材料来选择，一般选择同质焊丝。对于TC4材料，由于其强度较高，0.8的焊丝和碳钢一样有刚度，焊丝不宜变形且容易送；而工业纯钛TA2，为了使焊缝得到更好的耐蚀及力学性能，焊丝中含氧量和含碳量会进一步降低，从而造成焊丝很软，给送丝稳定带来了非常大的困难。一方面焊丝经送丝轮挤压会变形，另一方面前面一有阻力，焊丝在送给过程中容易折断。我们根据钛合金焊接送丝特点，一方面增大焊丝直径，改为1.0，增加丝的刚性；另一方面改变送丝轮结构和送丝管、送丝嘴尺寸，防止挤压变形和降低送丝阻力。送丝轮由单凹形改成双凹形，见示意图2。送丝管和送丝嘴尺寸相对碳钢增大，在原有的基础上增大0.40mm，降低送丝阻力。图2 钛管板送丝轮33水冷定位系统管板定位目前绝大多数采用弹性套定位方式，该方式虽然简单、可靠，但是焊接钛管板是不合适的。因为从钛焊接保护机理来讲，单靠保护往往不是最佳，如能辅以冷却，则能缩短金属在高温停留时间，即缩短了钛与氢、氧、氮反应的时间，从而获得非常满意的保护效果。我们采用的措施是制作紫铜水冷芯杆定位器，它不仅起定位作用，而且能对焊缝起冷却作用，此外对管口内壁起隔离空气作用。经过试验，水冷定位器不仅定位可靠、快捷，而且对钛管板焊接起到了很好的保护效果，焊后焊缝及热影响区为银白色。综上所述，由于管板焊枪做了以上三方面的改善，在钛制管板换热器制造中成功解决了气体保护、定位和送丝稳定性问题，从而保证了焊接质量。4、 实际生产应用将改制后的管焊设备应用于国内三家化工压力容器厂，对钛制换热器进行实际焊接，具体应用情况如下：41工件情况：材质TA2，管口伸出00.5mm坡口1.545，换热管191.5 管平头42连接方式：加丝强度焊43焊丝直径：1.044工艺参数见表4图3 产品焊接效果表4 钛制管板换热器191.5焊接参数峰值电流A基值电流A脉宽比脉冲频率Hz焊接电压V焊接速度mm/mim送丝速度mm/mim气体种类气体流量L/min罩气流量L/mi12410.280100300500Ar152045应用效果：经现场产品焊接，该管焊设备完全满足钛制管板换热器的焊接要求，焊缝及热影响区颜色为银白色；经PT着色检查，无气孔、裂纹等缺陷；经水压检验合格；一次合格率99%。产品焊接效果见图3。一、 任务来源及计划要求；根据全国有色金属标准化技术委员会关于下达20062008年有色金属国家标准修订计划的通知（有色标委（2006）第13号）的精神，由宝钛集团有限公司起草板式换热器用钛板国家标准，本标准是对GB/T14845-1993的修订。二、 编制过程，包括编制原则、工作分工、征求意见单位、各阶段工作过程等；标准编制原则：1）增加部分新牌号；2）对原标准的尺寸范围和允许偏差进行调整；3）对原性能指标进行调整。 本标准由宝钛集团有限公司负责起草。本标准初稿于2006年5月完成，并在网上征求意见。三、调研和分析工作的情况板式换热器用钛板大量供货主要按GB/T 14845-93标准。但此标准中只规定了TA1-A这个牌号的各项技术要求，而现在市场使用TA8-1和TA9-1等牌号钛合金板式换热器用料也愈来愈多，而TA8-1和TA9-1钛合金换热器用板无标准可依,为了满足市场需求、定货统一及完善标准，此次修订将TA9钛合金牌号加入到本标准中。并对原标准中的相关内容作了修订,如：尺寸允许偏差、力学性能及工艺性能等指标应进行相应的调整。四、主要技术内容的说明，包括技术参数与指标的确定依据、修订标准的各修订点及其理由等；（一）本次修订增加了两个新牌号TA8-1和TA9-1，化学成分、力学性能及工艺性能引用和参考了美国标准ASTM B265钛和钛合金带、薄板和厚板的标准规范的Gr.17和Gr.11指标，并结合国内现有的生产实际。其化学成分见表1。 表1牌号名义化学成分TiPd杂质元素，% 不大于FeCNHO其他元素单个总和TA1工业纯钛余量0.150.050.030.0120.100.100.40TA8-1Ti-0.05Pd余量0.040.080.200.080.030.0150.180.100.40TA9-1Ti-0.2Pd余量0.120.250.200.080.030.0150.180.100.40注：其他元素一般情况下不做检验，但应保证。需方要求并在合同中注明时，可进行抽检。力学性能及工艺性能见表2。表中的断后伸长率A%数值采用原标准中TA1-A中的二级规定,同时杯突值与TA1-A相同,这也是从生产实际当中总结而得。表2牌号状态抗拉强度Rm，MPa规定非比例延伸强度Rp0.2，MPa断后伸长率A，%弯曲角a度杯突值mm不小于TA1M240170551409.5TA8-1TA9-1240170471409.5注： 其中厚度0.6mm的板材强度数值报实测,用户有特殊要求时, 由供需双方协商,并在合同中注明。（二）产品规格将厚度0.61.0mm改为0.51.0mm；（三）产品长宽尺寸公差在原标准规定的基础上各缩减5mm；（四）对厚度0.6mm的产品性能作了规定,其性能数据报实测值； (五）取消了原标准性能的级规定,采用原标准的级规定；五、与国外同类标准水平的对比分析；本标准修订时参照了美国标准ASTM B265-1998钛和钛合金带、薄板和厚板的标准规范中Gr.17(TA8-1)和Gr.11(TA9-1)的化学成分及力学性能等指标，表3为本标准与ASTMB265指标对比。从表中可以看出，本标准的抗拉强度和屈服强度与ASTM标准指标相同，延伸率和弯曲性能要求大大严于ASTM标准，并增加了杯突试验和晶粒度要求。从标准的整体水平看，明显严于ASTM标准，属国际先进水平。表3本标准与美国标准ASTM B265指标对比指标ASTM B265本标准11级17级Ti余余余Fe0.200.200.20C0.080.080.08N0.030.030.03H0.0150.0150.015O0.180.180.18Pa0.120.250.040.080.040.08/0.120.25单个0.10.10.1总和0.40.40.4抗拉强度,最小 35 Ksi 35 Ksi 240 MPa 240 MPa240 MPa0.2%残余变形的屈服强度2545 Ksi2545 Ksi170310 MPa170310 MPa170 MPa伸长率%最小 L0=2英寸或50mm2424A，47弯曲试验厚度 0.070英寸(1.8mm)3T，1053T，1053T,140杯突值，mm9.5晶粒度报实测；级别，协商六、与现行法规、标准的关系当前我国板式换热器用钛板专用标准只有本标准一个，所以与其他标准无冲突。七、实施标准的要求和措施的建议本标准是板式换热器用钛板专用标准，化学成分及各项技术指标与其他板材标准有很大的区别，注意订货时应加以区分。八、参考资料清单略。板式换热器用钛板（GB/T 14845-200X）标准编制组2006-9-10三、 任务来源及计划要求；根据全国有色金属标准化技术委员会关于下达20062008年有色金属国家标准修订计划的通知（有色标委（2006）第13号）的精神，由宝钛集团有限公司起草板式换热器用钛板国家标准，本标准是对GB/T14845-1993的修订。四、 编制过程，包括编制原则、工作分工、征求意见单位、各阶段工作过程等；标准编制原则：1）增加部分新牌号；2）对原标准的尺寸范围和允许偏差进行调整；3）对原性能指标进行调整。 本标准由宝钛集团有限公司负责起草。本标准初稿于2006年5月完成，并在网上征求意见。三、调研和分析工作的情况板式换热器用钛板大量供货主要按GB/T 14845-93标准。但此标准中只规定了TA1-A这个牌号的各项技术要求，而现在市场使用TA8-1和TA9-1等牌号钛合金板式换热器用料也愈来愈多，而TA8-1和TA9-1钛合金换热器用板无标准可依,为了满足市场需求、定货统一及完善标准，此次修订将TA9钛合金牌号加入到本标准中。并对原标准中的相关内容作了修订,如：尺寸允许偏差、力学性能及工艺性能等指标应进行相应的调整。四、主要技术内容的说明，包括技术参数与指标的确定依据、修订标准的各修订点及其理由等；（一）本次修订增加了两个新牌号TA8-1和TA9-1，化学成分、力学性能及工艺性能引用和参考了美国标准ASTM B265钛和钛合金带、薄板和厚板的标准规范的Gr.17和Gr.11指标，并结合国内现有的生产实际。其化学成分见表1。 表1牌号名义化学成分TiPd杂质元素，% 不大于FeCNHO其他元素单个总和TA1工业纯钛余量0.150.050.030.0120.100.100.40TA8-1Ti-0.05Pd余量0.040.080.200.080.030.0150.180.100.40TA9-1Ti-0.2Pd余量0.120.250.200.080.030.0150.180.100.40注：其他元素一般情况下不做检验，但应保证。需方要求并在合同中注明时，可进行抽检。力学性能及工艺性能见表2。表中的断后伸长率A%数值采用原标准中TA1-A中的二级规定,同时杯突值与TA1-A相同,这也是从生产实际当中总结而得。表2牌号状态抗拉强度Rm，MPa规定非比例延伸强度Rp0.2，MPa断后伸长率A，%弯曲角a度杯突值mm不小于TA1M240170551409.5TA8-1TA9-1240170471409.5注： 其中厚度0.6mm的板材强度数值报实测,用户有特殊要求时, 由供需双方协商,并在合同中注明。（二）产品规格将厚度0.61.0mm改为0.51.0mm；（三）产品长宽尺寸公差在原标准规定的基础上各缩减5mm；（四）对厚度0.6mm的产品性能作了规定,其性能数据报实测值； (五）取消了原标准性能的级规定,采用原标准的级规定；五、与国外同类标准水平的对比分析；本标准修订时参照了美国标准ASTM B265-1998钛和钛合金带、薄板和厚板的标准规范中Gr.17(TA8-1)和Gr.11(TA9-1)的化学成分及力学性能等指标，表3为本标准与ASTMB265指标对比。从表中可以看出，本标准的抗拉强度和屈服强度与ASTM标准指标相同，延伸率和弯曲性能要求大大严于ASTM标准，并增加