鈦材換熱器與管板焊接工藝的應(yīng)用實(shí)踐

文獻(xiàn)娜，胡尊旭，張開敏(山東金沂蒙化工機(jī)械有限公司，山東 臨沂 276700)

0 引言

繞管式換熱器作為一種特殊形式換熱器，具有多種功能用途，其緊湊的結(jié)構(gòu)、高效傳熱性能、耐高壓，以及具有熱力補(bǔ)償功能等特點(diǎn)，具有較好的熱力交換能力。主要結(jié)構(gòu)由殼體、管箱、管束體等構(gòu)成，尤其是管束體由換熱管與多組不同角度的螺旋狀管板通過繞管焊接在一起，根據(jù)繞管換熱效果和設(shè)計(jì)角度的不同，最多的焊點(diǎn)接頭可達(dá)上萬個(gè)，為了確保性能符合標(biāo)準(zhǔn)，焊接完成后，還要經(jīng)過高溫、高壓的抗性檢驗(yàn)，避免在工作狀態(tài)下出現(xiàn)泄漏，加之繞管換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)問題造成的檢修困難，因此，加強(qiáng)換熱器與管板的焊接質(zhì)量管理尤為重要，不僅關(guān)系到工作時(shí)的熱交換效果，更影響換熱管的運(yùn)行安全。在換熱器的制造過程中，為了提高質(zhì)量管理和焊接效果，延長換熱器的工作使用壽命，常采用自動(dòng)脈沖的鎢極氫弧焊技術(shù)進(jìn)行深度熔透，該技術(shù)可有效調(diào)節(jié)熱源溫度和停留時(shí)長，確保焊接過程的溫度穩(wěn)定，對(duì)比手工焊接具有較完整的焊縫銜接，具有極高美學(xué)價(jià)值。雖然氫弧焊技術(shù)有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是，針對(duì)由鈦材料制成的換熱器上進(jìn)行管板焊接，卻有一定的技術(shù)難度。主要因?yàn)殁伈谋旧頁碛休^好韌性、可塑性，而且耐腐蝕性能好，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其耐腐性也遠(yuǎn)高于普通鋁制品和不銹鋼，在焊接時(shí)鈦材卻極易受氧化和氮化，焊接后性能變脆，強(qiáng)度較低，不適宜對(duì)管板進(jìn)行焊接[1]。但基于鈦材的良好特性適于制造加工換熱器，提高換熱器的熱交換性能，因此，需要提升鈦材的焊接技術(shù)應(yīng)用，提高焊接質(zhì)量管理。

1 焊接技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 接頭焊接結(jié)構(gòu)

常規(guī)情況下，換熱器與管板之間的焊接縫隙較小，管板的厚度達(dá)到100 mm以上，換熱器管子厚度只有1.0～1.5 mm，直徑為Φ15～19 mm，焊接時(shí)要求管子和管板在貼脹條件下開始焊接，并且熔透焊接提升強(qiáng)度。

1.2 接頭焊接難點(diǎn)

因?yàn)閾Q熱管的管壁較薄、內(nèi)徑小，焊接管板的厚度大，內(nèi)徑也大，兩者在焊接時(shí)存在厚度差異，有較大的熱容量差距，在焊接過程中，如果溫度控制不好，很容易出現(xiàn)管子邊緣溫度傳導(dǎo)不均，造成薄管壁的換熱管先受熱而產(chǎn)生內(nèi)縮，為后期管板再度焊接增大難度。

此外，在焊接作業(yè)時(shí)，因高溫受熱溶液會(huì)受重力作用產(chǎn)生一定范圍的流動(dòng)，待冷卻后造成換熱管管體與焊縫的不規(guī)則，成型較差，影響換熱體運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

2 焊接質(zhì)量的原因分析

2.1 管頭熔融現(xiàn)象

由于常規(guī)情況下普遍是由人工操作進(jìn)行管板焊接，會(huì)因人為因素造成焊接失誤，比如過電流、過電壓情況下焊接速度不同步會(huì)產(chǎn)生管頭熔融現(xiàn)象，如上述所說，熱傳導(dǎo)不均勻，造成溫度分布不均，容易導(dǎo)致管頭成型差，造成燒穿和熔融；管板與管頭焊縫尺寸較小，掌握不到位，或管頭伸出短，焊槍角度出現(xiàn)偏差時(shí)，在高溫電弧作用下，熱量集中于近端，也會(huì)造成管頭熔融。此外，人為焊接技術(shù)不熟練，或者疲勞作業(yè)狀態(tài)下，電弧的高低分布不均，也會(huì)出現(xiàn)焊接誤差，導(dǎo)致管頭熔融，降低焊接質(zhì)量[2]。

2.2 焊縫不壓茬現(xiàn)象

由于焊接時(shí)要求高溫熔透，但在實(shí)際操作中因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致坡口角度不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，造成焊縫外圈出現(xiàn)咬邊，產(chǎn)生熔融不良。正常標(biāo)準(zhǔn)下?lián)Q熱器與管板焊接的外倒角呈現(xiàn)2 mm×45°，但焊接時(shí)因諸多因素導(dǎo)致坡口焊接不均，管板角度偏差大，坡口誤差可達(dá)到4 mm×45°，增加了焊縫厚度與寬度，均由焊接參數(shù)調(diào)校不穩(wěn)定導(dǎo)致的咬邊現(xiàn)象。使用鎢極氫弧焊技術(shù)時(shí)，通常采用兩遍焊接工藝執(zhí)行操作，第一遍采取自熔方式，在相同電流、電壓、焊接速度等穩(wěn)定參數(shù)條件下，管板焊縫熔融溫度較高，焊縫較寬；當(dāng)?shù)诙椴扇〖尤牒附z進(jìn)行焊接時(shí)，參數(shù)相對(duì)不變情況下，焊接焊絲時(shí)因厚度增加，熔池溫度相對(duì)降低，焊縫寬度適度變窄，因此，兩遍焊接焊縫寬度不能達(dá)到完全一致，造成兩遍焊接結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)壓茬完全覆蓋，影響焊縫美觀與焊接質(zhì)量。

2.3 氣孔產(chǎn)生

當(dāng)焊接時(shí)由于操作焊槍的焊接角度不合理，或者氫氣純度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致氫氣供應(yīng)不穩(wěn)定，氣量忽大忽小，引起焊縫寬度和厚度不均勻，甚至造成熔穿現(xiàn)象發(fā)生。在開始焊接前若不對(duì)管板接口進(jìn)行清理，焊接時(shí)會(huì)將雜質(zhì)一起進(jìn)行熔融，待冷卻后，含有雜質(zhì)的焊口會(huì)比其他焊口質(zhì)地更脆，影響焊接質(zhì)量。

2.4 滲漏現(xiàn)象

與氣孔產(chǎn)生的原理類似，當(dāng)焊接過程中有雜質(zhì)混入時(shí)，就會(huì)造成焊縫的寬窄不一、厚薄不一，同時(shí)焊縫質(zhì)量的質(zhì)地也會(huì)產(chǎn)生變化，有的質(zhì)地較脆，有的硬度則大，在質(zhì)量不等的焊接處往往會(huì)出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致?lián)Q熱器運(yùn)行使用時(shí)出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象，影響運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，造成一定的安全隱患[3]。

3 焊接工藝的優(yōu)化方案

經(jīng)過對(duì)影響焊接質(zhì)量的原因進(jìn)行分析，為了有效解決這一難題，提出優(yōu)化方案，重點(diǎn)對(duì)焊接過程和準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)范化安排、合理調(diào)整。

3.1 準(zhǔn)備階段

(1)為了避免焊接過程中出現(xiàn)雜質(zhì)混入，預(yù)先選擇一塊衛(wèi)生封閉的場(chǎng)所作為鈦材加工生產(chǎn)車間，車間內(nèi)要鋪設(shè)阻燃隔熱的橡膠地板，避免產(chǎn)生揚(yáng)塵，減少外放的通風(fēng)設(shè)施安置，通過安裝空調(diào)調(diào)整車間溫度。

(2)為了減少人為操作導(dǎo)致的失誤和誤差，必須對(duì)焊工進(jìn)行提前培訓(xùn)，取得特種作業(yè)人員上崗資格證后方可從事電焊作業(yè)。作業(yè)時(shí)要佩戴個(gè)體防護(hù)設(shè)施，并嚴(yán)格按章操作，管理人員要對(duì)操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度、作業(yè)時(shí)間和精神狀態(tài)及時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，避免超強(qiáng)度作業(yè)，導(dǎo)致人身事故，影響工程質(zhì)量。

(3)為了提高焊接所用材料質(zhì)量，需要加強(qiáng)材料的檢查和驗(yàn)收。注入的保護(hù)氣體必須使用一級(jí)的氬氣，純度需達(dá)到99.99%，雜質(zhì)含量不超過0.02%，相對(duì)濕度不大于 0.001 mg/L，輸送管路需確保材質(zhì)安全。其次，為了統(tǒng)一焊縫使用金屬與管材主體金屬具有同等級(jí)的耐腐蝕性和近似成分，應(yīng)當(dāng)使用相同材質(zhì)的焊絲進(jìn)行焊接，其直徑為1.2 mm。焊接前應(yīng)清理焊絲表面的潤滑劑，確保焊絲無拉絲等邊線，保持清潔整齊。

3.2 焊接作業(yè)階段

焊接作業(yè)前必須首先清理電焊材料的表面氧化層、油脂膜等，確保雜質(zhì)清除干凈徹底，避免對(duì)焊口的強(qiáng)度、耐腐蝕性和塑性產(chǎn)生影響。一般情況下，通常采用丙酮先去除表層油污，再利用砂紙打磨掉焊縫及管板、焊絲表面的氧化層，直到表層裸露出金屬光澤即可，隨后使用綢布蘸取酒精對(duì)表層再次進(jìn)行清洗，直到綢布表面不再有污漬就算徹底清理干凈。清洗后的焊接材料做到隨用隨取，暫時(shí)不用的材料要用塑料膜進(jìn)行包裹保護(hù)，防止造成污染。

開始焊接時(shí)要謹(jǐn)記預(yù)先進(jìn)行送氣30～50 s，待氣量和氣樣穩(wěn)定后再進(jìn)行焊接，避免供氣不足或者氣量斷續(xù)現(xiàn)象導(dǎo)致焊接咬邊出現(xiàn)，影響質(zhì)量。焊接結(jié)束后，要繼續(xù)供氣一段時(shí)間，直到溫度下降到250 ℃以下，方可停氣。此外，為了防止供氣過程中氣管內(nèi)空氣引入電弧，造成一定危險(xiǎn)，需要加裝氣塞進(jìn)行防護(hù)。

3.3 跳焊作業(yè)法

因?yàn)閾Q熱器與管板之間的焊接點(diǎn)位較多，普遍密集，但對(duì)于鈦材料的焊接而言，鈦材本身的導(dǎo)熱性就很差，高溫作業(yè)狀態(tài)下不容易散熱，為了提高散熱效果并對(duì)鈦材和管板進(jìn)行保護(hù)，通常在焊接管的相鄰管內(nèi)加裝銅棒，以便增加熱量傳遞效果，降低高溫段200℃的停留時(shí)間。此外，除了物理輔助方法外，還可以優(yōu)化焊接工藝，采取回形跳焊的方法，即對(duì)一個(gè)點(diǎn)位管板焊接完成之后，待溫度冷卻后，再對(duì)間隔一個(gè)點(diǎn)位距離的下一個(gè)管板進(jìn)行跳焊，這樣有效避免了高溫對(duì)鈦材的破壞作用，有助于溫度的分區(qū)散熱，確保焊接效果和質(zhì)量。跳焊工藝順序如圖1所示。

圖1 跳焊工藝順序圖

3.4 氣管氣量調(diào)節(jié)

換熱管與管板之間的焊接點(diǎn)位密集，尺寸間距小，一般采用封閉氣罩方法進(jìn)行保護(hù)較難實(shí)現(xiàn)，通過方法工藝改進(jìn)，擴(kuò)大了氬氣出氣口噴嘴的直徑，以此增加氣體噴出影響范圍，在氬氣的保護(hù)下，減少空氣中混入氫氣、氮?dú)夂脱鯕獾葷舛?，避免雜質(zhì)氣體對(duì)焊縫質(zhì)量造成影響。此外，在焊接作業(yè)時(shí)，焊槍前端應(yīng)盡量靠近焊接部位，縮短氣焰與管板焊縫之間的距離，同時(shí)，縮短鎢極伸出的噴管口長度，避免焊接時(shí)伸出過長遮擋作業(yè)人員觀察視線。

4 質(zhì)量查驗(yàn)方法

完成焊接工作后，要對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，通常采用查外觀和查著色兩種方法驗(yàn)證。其中查外觀是指檢查焊縫表面有無氣孔、熔邊是否貼合、是否呈魚鱗狀、有無裂縫和雜質(zhì)、焊縫厚薄是否均勻、有無咬邊等現(xiàn)象，焊縫盡量顯露金屬光澤、均勻貼合，方可視為合格質(zhì)量。著色檢查是對(duì)焊縫表面的顏色進(jìn)行查驗(yàn)，不同氣體參與焊接時(shí)冷卻后呈現(xiàn)的顏色也不相同，往往出現(xiàn)藍(lán)色、灰色和紫色等顏色時(shí)說明摻雜有其他氣體，需要進(jìn)行補(bǔ)焊，一般補(bǔ)焊次數(shù)不得超過兩次，直到檢驗(yàn)合格為止。

5 結(jié)語

鈦材與管板焊接必須確保焊接外觀成型美觀，質(zhì)量可靠，通過對(duì)鈦材焊接工藝的摸索分析，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。