鈦設備的特點不同于碳素鋼?不銹鋼及其它金屬設備,其制造工藝也有別于以上金屬設備?某廠使用的換熱器結構為方形管板(引進技術,替代產品),換熱管的數量為468根,換熱管和管板均為工業純鈦(TA2),換熱管的壁厚僅為0.8mm?換熱管與管板的焊接有較大的難度?在化工設備中,換熱器的換熱管壁厚一般在2mm左右,管端相對于管板可以是伸出或縮進,也可以與管板平齊,而壁厚較小的換熱管只能采用與管板平齊或管端伸出1mm~2mm的接頭型式?

1、鈦材焊接特性及主要問題分析

1.1 氫脆與鐵污染

鈦非常容易吸收氫?氧?氮,特別是氫,因為氫擴散速度較快,溫度不高時也容易被鈦吸收,而使鈦變脆?當鈦加熱到300~C時,開始吸氫,當加熱到400℃時,鈦對氫?氮?氧都具有較高的化學活性,當溫度超過600℃時,鈦急劇地氧化?氮化,并與氫生成氫化鈦((TiH₂),從而使鈦發生體積膨脹,產生晶間應力,進而形成裂紋?另外鐵污染亦造成鈦設備的抗腐蝕性能下降?焊接性能變差?產生氫脆等危害?此外,多次在焊縫部位高溫加熱,對鈦設備的內在性能和質量亦有不容忽視的影響[1]?

1.2 管子-管板連接的密封性

管子-管板焊接接頭在運行過程中發生泄漏是換熱器不能正常工作的主要原因?國內外技術規則對管子-管板焊接接頭的參數變化和質量評價都作了嚴格的規定,為保證產品質量,需要用試驗方法確定焊接工藝和參數?

管子與管板焊接接頭要求焊縫成形均勻,根部熔合良好,焊縫厚度滿足設計要求,焊后管孔的內縮量一般不超過管孔內徑的l0%?對于薄壁的換熱管與管板的焊接接頭,允許形成熔池的體積小,否則會導致管孔內縮量超標,影響進一步的脹管工序和工作時的換熱效率?因此,在焊接時必須嚴格控制焊接熱輸入?熔池形狀,使焊接接頭處既形成完整的熔池又不使管口出現過大的內縮?

管壁厚度1mm以下的管子一管板接頭,在焊接過程中管端容易向內翻邊,無法將管子與管板焊接在一起?主要原因是管與管板裝配后總有一定的間隙,管板厚而管子薄,焊接時管板孔邊緣還未熔化而管子已熔化,從而造成管子向內翻邊,無法形成焊接熔池?

為適應鈦制薄壁管與管板的焊接,必須采用脈沖TIG焊接方法,通過試驗適當調整焊接參數,同時使用特殊的工裝和定位方式,保證焊縫內在質量和滿意的焊縫成形?

2、焊接工藝與優化措施

2.1焊接方法?設備與施工環境

鈦設備的焊接應在干凈?專用的車間或區域進行,場地應鋪設橡膠或其它軟制材料,從事有關鈦設備的制造?檢驗等人員應穿橡膠鞋或其它軟底鞋?所使用的鋼鐵類機具亦不能直接接觸鈦設備[2]?

目前,國內外換熱器管子一管板接頭焊方法主要以自動TIG焊為主,而對薄壁管最好采用脈沖TIG焊方法?脈沖自動TIG焊方法,焊接過程脈沖式加熱,熔池金屬高溫停留時間短,金屬冷卻快,并且電弧挺度好,能量集中,適用于全位置焊接頭,有利于調整焊接能量和控制熔池形狀,使焊縫一周的成型均勻,焊接過程穩定,是較為理想的焊接薄壁管與管板接頭的工藝方法?

用于管子一管板自動TIG焊的焊接設備,應保證定位準確,調整方便,能夠對多個焊接參數進行編程和調整?設備亦能夠對提前送氣?滯后停氣?預熱及脈沖參數等全位置管子一管板自動焊所必須的參數進行編程,滿足焊接過程對程序參數的要求和參數的精確執行[3]?

2.2焊接材料及其選用

首先是母材及焊絲中的氫?氧?氮?碳要盡可能少,實踐證明,鈦材的含碳量較低((≤0.1%))時焊接裂紋產生的概率很小?其次是嚴格控制氬氣的純度,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規格分別為:管子TA2φ16ml×0.8mm,管板(TA2δ=52mm)。

2.3接頭形式與焊接參數

按設計要求的有效焊縫厚度應不小于1倍的管壁厚度即大于等于0.8mm?為此,按上述要求,管板不需要倒角?因管壁較薄,焊后無法保留管端,管端伸出管板的長度確定為1.5mm~2mm?

焊接參數是否適當直接影響焊接質量,焊接參數的調整是制定焊接工藝的重要依據?對于管子一管板的焊接,焊接參數對接頭內在質量和外觀成形均有影響(特別是鎢極與管板的相對位置等)[4]?根據結構特點,通過試驗采用了如表1所示的參數,取得了滿意結果?

其它參數如,鎢極與管板的距離為1.5mm~2mm,距管壁的距離為1.5mm~2mm,鎢極與管軸線夾角為0°,焊縫搭接長度≥5mm?

2.4鎢極及其形狀加工

通常采用2.5mm鈰鎢極?鎢極的規格和端部形狀影響許用電流?引弧?穩弧以及焊縫熔深?熔寬?要求焊縫具有較大的熔深?較小的熔寬,因此,使用尖端錐角較小的鎢極較好?鎢極尖端的尺寸為,錐角20°~30°,尖角部位半徑0.3mm~0.5mm?

2.5焊接定位和工裝使用

由于焊接時,鎢極距管板的距離小,點焊定位,焊點處易短路造成斷弧,焊點兩側熔合不好,因此,管子與管板采用脹接的定位方式?機械脹定位后,管端與管板間仍然存在間隙,為防止管端向內翻邊,焊接前用工裝將管端與管孔貼合緊密,使焊接過程中管端與管孔溫度保持一致,同時熔化,形成共同的焊接熔池而達到焊接的目的[5]?工裝選用與換熱管硬度相當的材料,加工成錐形擴口工裝?將小頭插入管口,適度錘擊工裝的大頭側,使管口擴大,管口壁與管板貼緊為宜?

2.6氬氣保護效果判別法及缺陷返修

氬氣保護方面,也應引起足夠的重視?因鈦在350℃以上時會強烈吸氫?脆化,引起氣孔及裂紋,焊接時必須將焊接接頭及附近區域保護到200℃為止?氬氣保護的效果將影響焊縫質量,它可由焊縫表面顏色來檢查[6],如表2所示?

焊接時,一旦發現焊后顏色不是銀白色或金黃色,應及時磨去重新焊接?但要嚴格控制返修?補焊工藝與次數?

焊縫同一部位的焊補次數不宜超過2次,如超過,焊補前應經單位技術總負責人批準,并采取可靠的技術措施[7]?

3、結語

采用上述焊接工藝和工裝,焊接試板?焊接接頭表面光滑,焊縫均勻?剖開焊縫檢查,焊縫根部熔合良好,焊縫尺寸滿足要求?上述工藝用于產品焊接,取得了滿意結果,經密封性檢查和表面100%滲透檢查,一次合格?安裝后產品運行狀況一直良好,未發生管端焊縫泄漏現象?實踐使我們體會到:脈沖TIG焊接方法可精確地控制焊接熱輸入和熔池尺寸,是焊接鈦制薄壁換熱管與管板接頭的較佳焊接工藝?

參考文獻

[1]阮鑫.鈦材焊接缺陷分析與焊接質量控制[J].機械工程材料,2004,28(8):52

[2]阮鑫,王成君.鈦設備制造中焊接裂紋形成機理及防范對策研究[J].鈦工業進展,2004,2l(3):35

[3]康浩方.國外鈦設備的焊接技術現狀[J].鈦工業進展,2003,20(4~5):70

[4]徐明文.化工機械制造[M].北京:化學工業出版社,1995

[5]張麥秋.化工機械制造安裝修理[M].北京:化學工業出版社.2001

[6]中國機械工程學會焊接學會編.焊接于冊(第二卷):材料的焊接[M].北京:機械工業出版社,1992

[7]馮興奎.過程設備焊接[M].北京:化學工業出版社,2003

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