钛制换热器薄壁管与管板焊接优化工艺

　　钛设备的特点不同于碳素钢、不锈钢及其它金属设备，其制造工艺也有别于以上金属设备。某厂使用的换热器结构为方形管板（引进技术，替代产品），换热管的数量为468根，换热管和管板均为工业纯钛（TA2），换热管的壁厚仅为0.8mm.换热管与管板的焊接有较大的难度。在化工设备中，换热器的换热管壁厚一般在2mm左右，管端相对于管板可以是伸出或缩进，也可以与管板平齐，而壁厚较小的换热管只能采用与管板平齐或管端伸出1mm2mm的接头型式。

　　1钛材焊接特性及主要问题分析1.1氢脆与铁污染钛非常容易吸收氢、氧、氮，特别是氢，因为氢扩散速度较快，温度不高时也容易被钛吸收，而使钛变脆。当钛加热到300时，开始吸氢，当加热到400时，钛对氢、氮、氧都具有较高的化学活性，当温度超过600时，钛急剧地氧化、氮化，并与氢生成氢化钛（TiH2），从而使钛发生体积膨胀，产生晶间应力，进而形成裂纹。另外铁污染亦造成钛设备的抗腐蚀性能下降、焊接性能变差、产生氢脆等危害。此外，多次在焊缝部位高温加热，对钛设备的内在性能和质量亦有不容忽视的影响。

　　1.2管子一管板连接的密封性管子一管板焊接接头在运行过程中发生泄漏是收到初稿日期：2004-12-29；收到修改稿日期：2005-05-07钛设备的焊接应在干净、专用的车间或区域进行，场地应铺设橡胶或其它软制材料，从事有关钛设备的制造、检验等人员应穿橡胶鞋或其它软底鞋。

　　所使用的钢铁类机具亦不能直接接触钛设备。

　　目前，国内外换热器管子-管板接头焊方法主要以自动TIG焊为主，而对薄壁管好采用脉冲TIG焊方法。脉冲自动TIG焊方法，焊接过程脉冲式加热，熔池金属高温停留时间短，金属冷却快，并且电弧挺度好，能量集中，适用于全位置焊接头，有利于调整焊接能量和控制熔池形状，使焊缝一周的成型均匀，焊接过程稳定，是较为理想的焊接薄壁管与管板接头的工艺方法。

　　用于管子-管板自动TIG焊的焊接设备，应保证定位准确，调整方便，能够对多个焊接参数进行编程和调整。设备亦能够对提前送气、滞后停气、预热及脉冲参数等全位置管子-管板自动焊所必须的参数进行编程，满足焊接过程对程序参数的要求和参数的执行。

　　2.2焊接材料及其选用首先是母材及焊丝中的氢、氧、氮、碳要尽可能少，实践证明，钛材的含碳量较低（。1）时焊接裂纹产生的概率很小。其次是严格控制氩气的2.3接头形式与焊接参数按设计要求的有效焊缝厚度应不小于1倍的管壁厚度即大于等于0.8mm.为此，按上述要求，管板不需要倒角。因管壁较薄，焊后无法保留管端，管端伸出管板的长度确定为1.5mm2mm.焊接参数是否适当直接影响焊接质量，焊接参数的调整是制定焊接工艺的重要依据。对于管子-管板的焊接，焊接参数对接头内在质量和外观成形均有影响（特别是钨极与管板的相对位置等）。

　　根据结构特点，通过试验采用了如表1所示的参数，取得了满意结果。

　　表1管口焊接参数预送气预热时间焊丝直径钨极直径电流强度电弧电压焊接速度气流量时间/s距管壁的距离为1.5mm2mm，钨极与管轴线夹角为0°，焊缝搭接长度5mm. 2.4钨极及其形状加工通常采用必2.5mm铈钨极。钨极的规格和端部形状影响许用电流、引弧、稳弧以及焊缝熔深、熔宽。要求焊缝具有较大的熔深、较小的熔宽，因此，使用尖端锥角较小的钨极较好。钨极尖端的尺寸为，2.5焊接定位和工装使用由于焊接时，钨极距管板的距离小，点焊定位，焊点处易短路造成断弧，焊点两侧熔合不好，因此，管子与管板采用胀接的定位方式。机械胀定位后，管端与管板间仍然存在间隙，为防止管端向内翻边，焊接前用工装将管端与管孔贴合紧密，使焊接过程中管端与管孔温度保持一致，同时熔化，形成共同的焊接熔池而达到焊接的目的。工装选用与换热管硬度相当的材料，加工成锥形扩口工装。将小头插入管口，适度锤击工装的大头侧，使管口扩大，管口壁与管板贴紧为宜。

　　2.6氩气保护效果判别法及缺陷返修氩气保护方面，也应引起足够的重视。因钛在350以上时会强烈吸氢、脆化，引起气孔及裂纹，焊接时必须将焊接接头及附近区域保护到200为止。氩气保护的效果将影响焊缝质量，它可由焊缝表面颜色来检查，如表2所示。

　　焊接时，一旦发现焊后颜色不是银白色或金黄色，应及时磨去重新焊接。但要严格控制返修、补焊工艺与次数。焊缝同一部位的焊补次数不宜超过2次，如超过，焊补前应经单位技术总负责人批准，并采取可靠的技术措施。

　　表2氩气保护效果对钛管接口焊缝质量的影响氩气保护情况焊缝表面颜色焊缝质量良好银白色焊缝质量良好尚好金黄色（麦色）对焊缝质量没有影响一般蓝色焊缝表面氧化，塑性稍有下降较差青紫色（花色）焊缝氧化较严重，显著降低焊缝的塑性极差暗灰色（灰白色）焊缝完全氧化，易产生裂纹、气孔等缺陷3结语采用上述焊接工艺和工装，焊接试板、焊接接头表面光滑，焊缝均匀。剖开焊缝检查，焊缝根部熔合良好，焊缝尺寸满足要求。上述工艺用于产品焊接，取得了满意结果，经密封性检查和表面100渗透检查，一次合格。安装后产品运行状况一直良好，未发生管端焊缝泄漏现象。实践使我们体会到：脉冲TIG焊接方法可地控制焊接热输入和熔池尺寸，是焊接钛制薄壁换热管与管板接头的较佳焊接工艺。