薄壁換熱管—管板接頭自動焊接工藝研究

孔汴莉 趙中艷 李欣 陳靈 鄭康 張廣贊 王棟

摘 要：本文主要對Φ19mm×1.0mm薄壁不銹鋼換熱管與管板接頭焊接進(jìn)行難點(diǎn)分析和相關(guān)工藝試驗(yàn)，確立了采用可編程管板自動焊機(jī)脈沖氬弧焊方法實(shí)施高效穩(wěn)定焊接的工藝參數(shù)。對不同管子伸出長度和鎢極角度進(jìn)行焊接試驗(yàn)對比，確定了管伸出長度保持在1.0～1.5mm、鎢極角度保持在20°～22°為最佳參數(shù)。采用兩層施焊工藝，第一層不加絲打底焊保證根部熔透，第二層加絲蓋面焊保證焊角尺寸和接頭強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)管子與管板強(qiáng)度焊接的最優(yōu)工藝。采用分段設(shè)置焊接參數(shù)，可保證5FG接頭在不同焊接位置都能得到理想的焊縫成形和焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：薄壁換熱管-管板接頭；管板自動焊接；焊接工藝試驗(yàn)

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0030-04

Study on Automatic Welding Technology of Thin Wall Heat

Exchange Tube-Tubesheet Joint

KONG Bianli1 ZHAO Zhongyan2 LI Xin1 CHEN Ling1 ZHENG Kang1 ZHANG Guangzan1 WANG Dong1

（1.HNCC Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475004；2.The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province Kaifeng Branch，Kaifeng Henan 475004）

Abstract： This paper mainly analyzed the difficulties and related process tests of the welding of the diameter of the stainless steel tube and the pipe plate joint of the diameter 19mm × 1.0mm thin wall. The process parameters of high efficiency and stability welding were established by using the pulse argon arc welding method of the programmable tube plate automatic welding machine. The optimum parameters of the pipe elongation at 1～1.5mm and the tungsten pole angle at 20～22 degrees were determined by the comparison of the length of the pipe and the tungsten electrode. Using the two layer welding process， the first layer without wire bottom welding ensured the penetration of the root， and the second layer welding to ensure the weld angle size and joint strength was the best process to realize the strength welding of tube and tube plate. Using segmented welding parameters could ensure that 5FG joints could get ideal weld shape and welding quality in different welding positions.

Keywords： thin-wall heat exchanger tubesheet joint；tube plate automatic welding；welding process test

1 研究背景

繞管式換熱器是一種特殊的管殼式換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、承壓高、可實(shí)現(xiàn)多股流多介質(zhì)傳熱以及熱應(yīng)力補(bǔ)償性能好等突出優(yōu)點(diǎn)。主要由管束體、殼體和管箱組成。其中，管束體是由以一定的螺旋角和節(jié)距緊密盤繞在中心筒上的換熱管與管板焊接組成的（見圖1）。

繞管式換熱器的管束中換熱管-管板的焊接接頭最多可達(dá)上萬個(gè)，且每個(gè)接頭焊后均要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，要求不得有任何泄漏，再加上其結(jié)構(gòu)特殊，返修困難，致使管子與管板接頭的焊接質(zhì)量成為整臺繞管式換熱器制造的重中之重。

通常情況下，化工用換熱設(shè)備使用的換熱管壁厚一般在2.0mm以上，而繞管式換熱器為了減輕重量，選用的換熱管壁厚最薄僅為1.0～1.5mm，再加上管徑較?。ㄍǔＶ睆綖棣?5～19mm），若采用手工氬弧焊接，焊接質(zhì)量難以保證，且會給換熱器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來安全隱患，而采用管子管板自動焊接將會大大提升焊接質(zhì)量。

2 焊接難點(diǎn)分析

2.1 接頭結(jié)構(gòu)

常見的繞管式換熱器管子與管板焊接接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，管板厚度一般在100mm以上，管子厚度一般為1.0～1.5 mm，管子直徑Φ15～19mm。管子與管板貼脹后進(jìn)行管頭焊接，要求全熔透強(qiáng)度焊。

2.2 焊接難點(diǎn)

①由于換熱管管徑小、管壁薄，而管板厚度較厚、直徑大，厚度差別大，熱容量差距大，造成在施焊管子與管板接頭時(shí)，管子端部會先于管板孔邊緣熔化，從而引起換熱管過熱而產(chǎn)生內(nèi)縮，給換熱管-管板接頭的焊接熔合帶來較大難度。

②焊接接頭施焊位置為5FG（管軸線水平固定，含橫、立、仰等位置），熔池溶液在重力作用下會產(chǎn)生下垂流動，導(dǎo)致圓周方向焊縫成形不均勻。

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。試件選用材質(zhì)為S30408奧氏體不銹鋼，試驗(yàn)管板規(guī)格為Φ500mm×60mm，材料符合《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》（GB 24511—2009）的要求；換熱管規(guī)格為Φ19mm×1.0mm，符合《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》（GB/T 24593—2009）的規(guī)定；焊接材料選配與母材成分接近的H06Cr21Ni10實(shí)心焊絲，規(guī)格Φ0.8mm，符合《焊接用不銹鋼絲》（YB/T 5092—2016）的要求。管板、管子及焊絲的主要化學(xué)成分見表1。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備介紹。焊接設(shè)備選用昆山華恒公司生產(chǎn)的可編程銳弧400自動脈沖逆變氬弧管板焊機(jī)。該設(shè)備主要由焊接電源、控制系統(tǒng)、焊接機(jī)頭、立柱橫梁操作架、線控器及循環(huán)水冷卻裝置等組成。焊接機(jī)頭型號為TP060，可實(shí)施管徑60mm以下管子管板焊接。送絲機(jī)型號WFi-1，可實(shí)現(xiàn)直徑Φ0.8～1.0mm焊絲的輸送。

該設(shè)備可對提前送氣、滯后停氣、預(yù)熔電流和時(shí)間及脈沖電流等參數(shù)進(jìn)行編程預(yù)置，可自動實(shí)現(xiàn)單層焊接、多層焊接、分段控制等功能。焊接之前可實(shí)現(xiàn)模擬焊接，操作時(shí)，將定位芯軸插入換熱管管口中，選擇“模擬”開關(guān)，焊接啟動后，噴嘴圍繞定位芯軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，程序設(shè)定的所有功能重現(xiàn)。模擬過程能提早發(fā)現(xiàn)實(shí)際焊接過程中的一些不利之處，可隨時(shí)調(diào)整焊接規(guī)范。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案。將規(guī)格為Φ500×60mm的管板按圖3要求加工管孔，管孔直徑Φ19.5mm，選用Φ19×1.0mm、長度為100mm的管子與之進(jìn)行焊接試驗(yàn)。將管板等分為6個(gè)區(qū)域，擬采用5組試驗(yàn)進(jìn)行對比，以確定最佳的管子伸出長度、最佳的鎢極角度和最佳的焊接工藝。

具體試驗(yàn)方案如下。①第一組：1區(qū)，確定合適的管子伸出長度；②第二組：2區(qū)，確定合適的鎢極角度；③第三組：3區(qū)，確定合適的焊接工藝；④第四組：4區(qū)，確定合適的焊接參數(shù)；⑤第五組：5—6區(qū)，優(yōu)化焊接參數(shù)、驗(yàn)證焊接工藝。

3.2.2 方案實(shí)施與分析

3.2.2.1 焊前準(zhǔn)備。首先將管板和換熱管表面的油垢、水分等污物用丙酮清理干凈，施焊前再用鋼絲刷清理，在待焊區(qū)域露出金屬光澤之后，將換熱管與管板點(diǎn)焊定位，為避免定位焊點(diǎn)影響焊縫成形，焊點(diǎn)應(yīng)在施焊面的背面。點(diǎn)焊定位后，用液壓脹管機(jī)將管端在管板全厚度貼脹，以消除間隙。脹接后，清潔、烘干施焊部位，避免焊接試驗(yàn)過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。

3.2.2.2 焊接試驗(yàn)與分析。焊接試驗(yàn)主要分為以下5個(gè)步驟。

①先施焊第一組接頭。在1區(qū)40余個(gè)接頭中，分別選取10個(gè)管平頭（管伸出0）、10個(gè)管伸出0.5～1.0mm、10個(gè)管伸出1.0～1.5mm、10個(gè)管伸出1.5～2.0mm四種接頭結(jié)構(gòu)，采用統(tǒng)一規(guī)范實(shí)施焊接。

在施焊過程中發(fā)現(xiàn)，管平頭接頭基本上都出現(xiàn)管內(nèi)縮現(xiàn)象，且管子與管孔壁局部出現(xiàn)斷續(xù)熔合或未熔合情況；管伸出0.5～1.0mm接頭中，約有2/3出現(xiàn)管內(nèi)縮、局部斷續(xù)熔合或未熔合現(xiàn)象；管伸出1.0～1.5mm接頭中，只有1個(gè)管頭出現(xiàn)管內(nèi)縮現(xiàn)象，其余接頭熔合情況良好；管伸出1.5～2.0mm接頭中，有60%出現(xiàn)熔合情況不好的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)鎢極粘連或斷弧現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于Φ19mm×1.0mm管子與管板接頭，要保證焊接質(zhì)量，管子的伸出長度最佳尺寸應(yīng)控制在1.0～1.5mm。

②在2區(qū)40余個(gè)接頭中，各選10個(gè)接頭，分別以18°、20°、22°和25°的鎢極角度，采用統(tǒng)一規(guī)范實(shí)施焊接，施焊過程中觀察電弧穩(wěn)定情況和接頭熔合情況。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，18°鎢極角度過小，電弧偏向管板一側(cè)，部分管頭出現(xiàn)未熔現(xiàn)象；25°鎢極角度過大，電弧偏向管子一側(cè)，造成部分管子熔化而管板未熔現(xiàn)象；20°～22°鎢極角度基本上能保證管子與管板的充分熔合，且電弧穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于Φ19mm×1.0mm管子與管板接頭，采用自動焊接，要保證焊接質(zhì)量，最佳鎢極角度應(yīng)為20°～22°。

③根據(jù)第一、二組試驗(yàn)結(jié)果，在第3區(qū)40余個(gè)接頭中，各選13個(gè)接頭，分別采用單層單道不加絲（工藝1）、單層單道加絲（工藝2）和兩層第一層不加絲打底、第二層加絲蓋面（工藝3）3種方案實(shí)施焊接，觀察施焊情況及接頭質(zhì)量。詳細(xì)的焊接參數(shù)及結(jié)果見表2。

對比發(fā)現(xiàn)，采用工藝1焊接的接頭，焊縫成形不均勻，在不同位置焊角高低不一致，局部焊角尺寸未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；采用工藝2一遍焊成的接頭，焊接電弧既要熔化管子端面，又要熔化焊絲，使焊縫一次成形，部分接頭出現(xiàn)了未熔合、氣孔等焊接缺陷；采用工藝3施焊，根部焊道保證了管子與管板的充分熔透，蓋面焊道保證了焊縫的外觀成型，施焊的焊縫成形均勻美觀，完全達(dá)到強(qiáng)度焊的標(biāo)準(zhǔn)。

④根據(jù)前三組的試驗(yàn)情況，確定在4區(qū)采用工藝3的方案，施焊過程中局部調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如鎢極伸出長度、弧長、送絲角度和送絲速度等，完善焊接工藝參數(shù)，以保證施焊焊縫達(dá)到圖樣及《熱交換器》（GB/T 151—2014）的要求[4]。

⑤根據(jù)前四組的試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，并按施焊位置對每個(gè)接頭分四段設(shè)置焊接參數(shù)，對5區(qū)、6區(qū)焊接接頭實(shí)施焊接，優(yōu)化后的焊接參數(shù)見表3。焊好的管子管板焊縫實(shí)物見圖4。

注：1.管子規(guī)格為Φ19mm×1.0mm，管子伸出長度為1.0～1.5mm；2.采用脈沖鎢極氬弧焊，電流極性為直流正接加脈沖；3.鎢棒直徑為2.4mm，鎢極伸出長度為5～8mm，鎢極角度為20°～22°，噴嘴直徑為10mm；4.氬氣純度為99.99%，流量為10L/min；5.焊絲直徑為Φ0.8mm；6.預(yù)熔電流設(shè)定為100A；7.H表示橫焊位置，V表示立焊位置，O表示仰焊位置。

對完成的焊接接頭進(jìn)行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等超標(biāo)缺陷，符合《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）標(biāo)準(zhǔn)[5]。對其中的10個(gè)管接頭焊縫按《承壓設(shè)備用焊接工藝評定》（NB/T 47014-2011）附錄D要求切開進(jìn)行檢查，根部熔合良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等超標(biāo)缺陷，焊縫尺寸H值也符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[6]。

3.3 焊接注意事項(xiàng)

①由于管壁較薄易扁，焊前管頭的處理程度直接影響焊接質(zhì)量。故既要保證管子伸出長度符合要求，又要保證管子的橢圓度適應(yīng)焊接需要。

②焊前貼脹與清理必須達(dá)到穩(wěn)固、清潔要求。只有這樣，才能保證焊接過程的穩(wěn)定，才能消除焊縫的一些缺陷。

③焊接起弧點(diǎn)和施焊方向的選擇至關(guān)重要，一般應(yīng)選時(shí)鐘10點(diǎn)位置作為起弧點(diǎn)位置，焊接方向設(shè)定為順時(shí)針施焊。

④一定要保證管板與焊機(jī)芯軸同心，一旦偏心，焊接過程中焊槍角度就會發(fā)生改變，電弧就會偏離焊道，甚至?xí)霈F(xiàn)局部薄壁管焊穿現(xiàn)象。

⑤為了消除弧坑缺陷，機(jī)頭旋轉(zhuǎn)焊接時(shí)，送絲系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)361°位置結(jié)束動作，電弧的結(jié)束位置應(yīng)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)365°后?；?。

4 焊接工藝應(yīng)用及推廣

按照該工藝施焊繞管式換熱器2臺，管子與管板焊接接頭5 000多個(gè)，焊縫一次合格率達(dá)到98%以上，經(jīng)無損檢測、水壓試驗(yàn)等考核，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該工藝可以推廣至管子規(guī)格為Φ19mm×1.2mm、Φ15mm×1.0mm和Φ15mm×1.2mm等產(chǎn)品的管子管板焊接接頭的焊接，為高壓繞管式換熱器的批量推廣應(yīng)用提供技術(shù)保證。

5 結(jié)論

①薄壁不銹鋼換熱管與管板的焊接采用可編程自動脈沖氬弧焊工藝是最佳的焊接工藝方法。

②對于Φ19mm×1.0mm換熱管，在自動焊接時(shí)，管子伸出長度保持在1.0～1.5mm、鎢極角度設(shè)定在20°～22°，可完美實(shí)現(xiàn)焊接接頭根部熔透。

③采用兩層施焊工藝，第一層不加絲打底保證根部熔透，第二層加絲蓋面保證焊角尺寸及接頭強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)管子與管板強(qiáng)度焊接的最優(yōu)工藝。

④分段設(shè)置焊接參數(shù)，可保證5FG接頭在不同焊接位置都能得到理想的焊縫成形和焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶：GB/T 24511—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管：GB/T 24593—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.焊接用不銹鋼絲：YB/T 5092—2016[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.熱交換器：GB/T 151—2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]國家能源局.承壓設(shè)備無損檢測：NB/T 47013—2015[S].北京：新華出版社，2015.

[6]國家能源局.承壓設(shè)備焊接工藝評定：NB/T 47014—2011 [S].北京：新華出版社，2011.