换热管的胀接

1、钛制换热器的管板自动焊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刖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

2、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刖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：胀接加密封自熔焊加丝强度焊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

3、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5.56.83.54.50.300.150.100.050.0150.20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300C以上快速吸氢，600

4、C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300C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

5、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。1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

6、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：管外径中25mm，管桥7mm，那么调整环内径应做成中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2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

7、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3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

8、，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、实际生产应用图3产品焊接效果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：4. 1工件

9、情况：材质TA2，管口伸出00.5mm坡口 1.5X45，换热管里19X1.5管平头2连接方式：加丝强度焊4. 3焊丝直径：？ 1.04. 4工艺参数见表4表4钛制管板换热器19X1.5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/mi 12410.280 100300500Ar15205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

10、果见图3。5、结束语针对钛制管板换热器焊接的特点，对普通管焊枪头作了三个方面的改动是成功的，它解 决了气体保护、送丝稳定性和水冷定位问题。为钛制换热器自动焊提供了切实可行的焊接设 备，改变以往钛设备制造依靠人工或依靠进口的状况，提高了产品质量和国产化进度。摘要：通过对高压换热器管子管板自动脉冲钨极氩弧焊的焊接特性、规范参数的确定、操作要领、影响熔 深因素以及在出产实践中的应用等介绍，说明该焊接方法应用于高压换热器管子管板全位置焊接是完全可 行的。关键词：换热管；管板；连接接头；自动脉冲钨极氩弧焊；焊接规范中图分类号：TG 444.74； TQ051.3文献标志码：B管子管板自动脉冲钨极氩弧焊不

11、仅可以保证换热管与管板焊接连接接头具有足够的强度和良好的成型，同 时也能够满足用户对产品质量提出的更高要求。文中对其焊接特性、焊接规范的确定、焊接操作技术、影 响熔深的因素及焊接时的注重事项作一简单介绍,供同行参考。1脉冲钨极氩弧焊1.1焊接特性1氩气特性氩气不易电离，故引弧时要求较高的电弧电压,而该设备通过高频引弧使气隙击穿而引燃电弧。 氩气的热容量和导热系数小，弧柱区容易保持在高温状态,故电弧一朝引燃便能在较低的电压下稳定燃烧。焊接电源种类和极性直流反接时，工件接负极，钨极接正极。阴极雀斑在熔池附近及工件表面的勾当范围 大，散热强，电子发射能力减弱，电弧稳定性较差。同时钨极发热量大，使钨极

12、烧损紧张，所以许用电流小。直 流正接时，工件接正极，钨极接负极。阴极雀斑在钨极上比力稳定，电子发射能力强，电弧稳定,可用较大的许 用电流，钨极烧损小。是以，高压换热器管子管板自动脉冲钨极氩弧焊时采用直流正接。焊接特点采用了较高的而持续时间又较短的脉冲电流(又称峰值电流)和较小的基值电流(又称维弧电 流)，故可使平均焊接电流值保持在较低的程度。在不增大焊接热输入量的条件下，高的脉冲电流可以增加 熔深，使母材充实熔化，改善熔透环境。调整基值电流的大小和基值时间则可以节制熔融金属的表面张力 和凝固速度。采用脉冲电弧还可以增加电弧的轴向稳定性，增强对熔池的搅拌作用，有帮助于管子管板的 全位置焊接和改善

13、焊缝的形成晶体组织,并有帮助于消弭气眼。由于平均焊接电流小，故焊接热输入量较 小,熔池尺寸小，热影响区窄。是以，适用于管子管板全位置焊接。1.2脉冲钨极氩弧焊管子管板焊机1.2.1功能介绍焊机组成主要由EWA306全位置程控自动管焊电源、PT80管板全自动TIG焊接机头和C00L70U40冷却水 箱组成。（2）适用范围适用于一般管板形式的自动化焊接，可焊接碳钢、不锈钢等各种管子管板接头型式（包括平齐端 接、伸出角接、内缩角接和内孔对接）。管子直径为160 80mm，可选择填丝或者自熔两种体式格局。自动调节弧长功能该焊机配置的自动弧长节制装置，可以通过电弧电压信号反馈原理自动校正电弧电压, 以保

14、持钨极与焊面的稳定间距来达到自动调节弧长的目的。同时还可以关闭自动弧长节制功能，通过该装置 上的手轮来手动调节弧长,并通过RTC01线控器进行模拟焊接、步伐号选择、送丝选择、送丝速度的调节、 焊接衰减、焊接电流以及焊接速度的调节等。（4）焊接参数的预置可通过节制面板进行不同焊接参数的预置,可存储50个步伐，并可分区设置不同焊接位 置的参数，以制止上、下坡位置时产生焊接缺陷。1.2.2主要技术参数该焊机主要技术参数如下：主配电源为EWA306型全位置程控电源，焊炬的旋转速度为0.36r/min，弧长调 节间距为20mm，焊炬倾斜角度为-1525可调（规范位置-15、-5、0、5、15、25可重复

15、定 位），机头代码R为28,特别系数C为48.5,最大焊接电流为300A，最大送丝速度为180mm/min，焊丝直径为 0.8mm（可选1.0mm）焊接保护气体为氩气（质量分数为99.99%）,冷却体式格局为水冷（冷却水流量不小 于450mL/min）。枪头角度-15。时，可焊管子直径为250 80mm （内缩角接）；枪头角度0时，可焊管子直 径为160 80mm（平齐端接）；枪头角度15时，可焊管子直径为160 80mm（伸出角接）；枪头角度25 时，可焊管子直径为160 54mm（伸出角接）。2高压换热器管子与管板接头型式高压换热器对密封性要求较高，且大多使用在承受振动、疲劳载荷及有间隙腐

16、蚀等场所。按照文献3中附 录B的要求，所有受检查剖面角接接头的H值不得小于管壁厚度的1.4倍。是以，该种换热器换热管与管板 的连接常采用强度焊+贴胀的连接体式格局2,3。3焊接规范参数的确定3.1峰值电流和峰值时间高的峰值电流和低的基值电流相共同，既可获得较大的熔深而又保持较小的焊接线能量,熔池体积小,熔滴 过渡和熔池金属的加热是间歇性的，故不易发生淌流。高的峰值电流还可以增加熔滴的过渡力，在管子管板 全位置焊接时都能迫使金属熔滴沿着电弧轴向过渡。峰值时间短对熔池金属有一定的振动搅拌作用，可改善 熔池的形成晶体组织，并有帮助于排除气眼。经过大量的焊接实验得出19mmX2mm、19mmX2.5m

17、m不锈钢管子焊接时的峰值电流为130180A,峰值时 间为0.2s。3.2基值电流和基值时间基值电流的大小反映了焊接电流的波动值，起着维持电弧稳定燃烧的作用，并直接影响熔池金属的冷却和形 成晶体。基值电流的主要作用是在峰值电流中断时期,维持焊丝与焊接熔池之间的电离状态,保证脉冲电弧 复燃稳定。同时预热母材和焊丝,使焊丝端部有一定的熔化量，为脉冲时期熔滴过渡作筹办，并可用来调节电 弧功率和焊接线能量。基值时间与脉冲特点有很大的关系，若基值时间过长，脉冲焊的特点就不明显。甚至 在脉冲停歇时期也有熔滴过渡，使熔滴过渡失去可控性。基值时间过短,在脉冲电流停歇时期，焊丝的熔化量 不足,熔滴过渡也往往是无

18、规律的，同时电弧引燃也较困难。通过实验确定19mmX2.0mm、19mmX2.5mm不锈钢管子焊接时，基值电流为4565A,基值时间为0.2s。3.3脉冲频率脉冲频率是通过改变峰值电流和基值电流的持续时间来进行调节的。如果送丝速度增大，则需要选择较高的 脉冲频率，反之脉冲频率得低一些。对于一定的送丝速度,脉冲频率增加,熔滴较细；脉冲频率降低，则熔滴 较粗。脉冲频率过低，脉冲之间的间歇时间较长，可造成焊缝周围与管板金属熔合不良等缺陷。当提高焊接 速度（旋转速度）时，必须增加脉冲频率，否则两点之间的间隙大，影响管板焊接接头质量与成型。脉冲频率还 影响着焊缝的熔深，脉冲频率高,熔深也较大,所以焊接较

19、厚管壁时，应相应增大脉冲频率。3.4钨极直径和形状一般应根据焊接电流和钨极的许用电流选择钨极直径,焊接电流不得超过钨极的许用电流，否则会使钨极因 过热而熔化、蒸发，造成电弧不稳定并引起焊缝夹钨。该焊机所用钨极直径一般为2.4mm。钨极端部应磨成 锥形,锥顶应磨成具有一定直径的平行台，锥度及平台直径随着钨极直径的增大而增大，该焊炬钨极平台直 径为0.5mm。具有锥顶平台的钨极，焊接时电弧稳定，能量集中,钨极端头不易熔化烧损。3.5送丝速度在一定的送丝速度下，当增加峰值电流时，应相应减小基值电流值，反之则增加基值电流值。这是因为等速送 丝时，为使弧长不变及规范稳定，焊丝的熔化速度必须等于送丝速度。

20、焊丝的熔化速度由峰值电流与基值电 流值叠加而成的总焊接电流所决定。显然，要满足焊丝熔化速度等于送丝速度，总的电流值应维持未便。送 丝速度太快，使弧长压得太短，焊丝与工件间易短路并粘丝；若送丝速度太卡，会使电弧拉长而烧损管口或者 断弧。送丝速度的大小应根据管子壁厚、峰值电流和基值电流的大小来确定。3.6焊接速度(旋转速度)如果焊接速度过快，灼热的焊接区可能来不及冷却就脱离保护区而被氧化，而且空气对保护气流的侧向压迫 也增大，使氩气保护效果变差，并易造成未熔合和未焊透等缺陷。焊速太卡，易使焊接接头过热，并易使管头 烧损，影响焊缝成型及接头质量。焊接速度一般为60mm/min。3.7氩气流量气体流量

21、增大，可增加气流挺度，提高抗外界干扰的能力，但流量过大，保护层气体会产生不规则的流动，使 电弧不稳定，甚至破坏保护层气流而将空气卷入电弧区。气体流量的选择，通常以使保护气流产生层流时的 最大气体流量为准。3.8电弧电压电弧电压增大，熔宽稍有增加,熔深减小。若电弧电压过大，易烧损管头形成未焊透，并影响气体保护效果； 电弧电压过低，易造成焊缝凸起、短路、产生未熔合等缺陷。通常在使电弧不短路的环境下,尽量减小电弧 长度进行焊接，这样电弧较稳定,熔深也增加，其实不易烧损管头。电弧电压一般为矿12V。3.9钨极伸出喷嘴长度钨极伸出喷嘴长度一般为712mm。若伸出长度过短，无法起弧，若伸出长度过长,影响氩

22、气保护效果,使焊缝 起皱，表面出现黑影,并易烧损钨极和华侈气体。4焊接操作要领焊接开始前根据管子直径选择相应的芯杆泽学网插入管子内，按照焊接工艺引导书在节制面板上进行参数 设置或者进行步伐号选择。该设备通过预吐气和滞后断气对焊接地区范围、焊缝、钨极以及焊丝端头进行 保护。又通过预熔电流和预熔时间对母材、焊丝端部进行预热，使焊丝端部有一定的熔化量，为脉冲时期熔 滴过渡作筹办。焊接前应调整焊丝、钨极的角度及距离，这一点儿对管头焊接能否焊好至关重要。一般钨极 离管壁为2mm,焊丝离钨极前端和下方各2mm。可通过手动送丝和滑杆上下按钮进行预演。焊丝要平直，如果 过于扭曲，会使送丝不稳,并造成焊丝伸出长

23、度的变化，影响熔池尺寸的节制以及扰乱气流和接触钨极，影响 气体保护效果和污染钨极。引弧位置一般选在时钟11点位置，该焊机可通过高频引弧圈引弧,使钨极与工件 间保持一定间隙,不会毁伤钨极尖端和引起焊缝夹钨。通常电流开始衰减位置在367,电流衰减时间为2s, 停止送丝位置在364，焊丝回抽时间为0.2s,但焊丝不能脱离氩气保护区，以免焊丝端部被氧化。可通过电 流衰减机构自行断弧，使弧坑填满，且收弧区处于氩气保护区，以制止产生裂纹和气眼。5熔深H影响因素5.1影响H值增加的因素按文献3中附录B要求,所有受检查剖面角接接头的熔深H值不得小于管壁厚度的1.4倍。是以,H值是保 证高压换热器管头焊接质量的

24、重要因素。为保证其质量,有必要对增加熔深的影响因素做一说明1,3。 增加焊接电流,减慢焊接速度，使电弧长度变短,均能达到增加熔深的目的。由于奥氏体钢导热系数和导温系数都小，在同样焊接条件下，其熔深要比铁素体、珠光体类结构钢小 20%30%。热源的能量大多是通过液态金属层而传递给固态金属，液态金属层越厚，能量的丧失就越大。对上坡焊， 液体从电弧下面流开,熔深提高。热流密度提高有帮助于熔化区深度的增加。距离中心越近,熔深越浅。这是由于只管转速不变，但是线速度加快，线能量减小而引起熔深下降。上坡焊熔深逐渐增加,下坡焊熔深减小。在同样的规范条件下,上坡焊时液态金属由于重力作用而下垂， 使脉冲电弧能更好

25、地接近母材表面,熔深增加。而且电弧离孔的距离近,不锈钢导热差，随着焊接过程的进行, 母材温度在逐渐上升，这也使熔深略有增加。下坡焊时,液态金属下垂，使电弧不能很好地接近母材表面,熔 深下降。在同样的工艺及规范下，喷嘴与管子轴线之间的角度和钨棒离工件距离越小,熔深越大。因为喷嘴角度越 小，电弧中心与母材的相对位置越好，能量散失少,熔深增加。钨棒离工件距离短，能量集中,熔深也增加。如 果喷嘴角度为0,则厚的管板熔化少,影响接头机能。钨棒离工件距离太小容易被粘住。一般喷嘴与管子轴 线之间的角度为1015,钨棒离工件1.52mm。焊接热输入量增加,熔深增大。但不能无限制地增大焊接热输入量来增加熔深，因

26、焊接热输入量过大，易 使晶粒粗大脆化，抗热裂性差，耐腐蚀性变差。在同样的规范及工艺下，脉冲间隙小可使脉冲电弧更好地接近母材表面，脉冲电弧能将液态金属快速排 开,故熔深可以提高。尤其在较大线能量时,液态金属较多，脉冲间隙小才能将其排开，这时候的脉冲间隙对 熔深的影响较为突出。不锈钢粘度大，如脉冲间隙大,难以使液态金属排开，导致熔深增加困难。在全位置脉冲焊中，0Cr18Ni9Ti密度、粘度较大，导热性差，在同样线能量下，液态金属下垂较多，遏止 电弧很好接近待熔表面,使脉冲电弧难深入母材内部，从而使熔深变浅。6结语为了更好地保证管子管板连接接头质量，在焊接时还需要注重以下事项：管子、管板表面要干净,

27、不能有 油锈、污物。管口要平整、无毛刺，且伸出管板长度一致为45mm，不能过短或者过长。焊接参数设置确 定后，要锁定步伐锁，以免他人修改参数，造成不必要的麻烦。要随时注重气和冷却水的畅通，水不足时要 加足(最好是蒸馏水)。焊接时出现妨碍，应按紧迫按钮，检查修理后再进行焊接。焊接时若出现未熔合 以及没有焊好的焊缝，可以从没有焊好处重新补焊，到达焊好位置时,按电流衰减开关断弧。也能够进行不 填丝焊，把送丝开关打向关，剩下步伐不变。电源极性为直流正接。装焊丝时，焊丝端部应磨圆滑，以免 焊丝刺破送丝软管。到目前为止，采用上面所说的管子管板的焊接接头工艺，已经先后完成了 60多台碳钢、 不锈钢等换热器管板与管子接头的自动焊焊接,其水压实验无一发生泄漏。参考文献：管子与管板的连接形式有以下几种：胀接、焊接、强度胀+密封焊及强度焊+贴胀。先焊后胀先焊后胀工序，焊前管板坡口容易清