钛合金换热器的封口焊焊接方法及保护装置

引言

在石油、化工、冶金、电力等行业与热相关的生产过程中，换热器因长期在腐蚀环境下服役，换热管管头泄漏时常发生。据统计，90%的换热器管头泄漏是由于焊接质量问题造成的，焊接过程中出现的管头氧化、熔合不良、强度不足、焊缝不连续、最小泄漏通道尺寸不足、管头烧烂、焊接气孔等均可能诱发管头泄漏 [1] 。所以管板与换热管的封口焊是换热器的制造过程中的关键环节，封口焊工艺由此对封口焊的质量起着至关重要的影响。

由于钛合金具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，被广泛应用于国民经济各个领域。特别是在化工生产中，用钛合金代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料。这对于进一步提高企业生产率，改善质量，,增长设备寿命，降低耗能，减少生产能耗，节约材料成本，避免环境污染，改善职工劳动条件和增加企业劳动生产率等工作方面均具有非常重大的意义。所以，钛合金换热器的应用越来越广泛，其中在厚壁换热管大型钛合金换热器建造过程中的管板封焊难度大，是核心的工艺技术 [2] 。

钛合金换热器（钛换热器）中复合板管板与钛合金换热管封口焊在焊接过程中，常采用管板开坡口、换热管伸出管板表面或与管板表面齐平的接头形式，目前最常用的坡口形式为V型坡口，但是在焊接的过程中，由于连续焊接多层焊接，温度过高，容易使钛合金氧化变色，空气中的氧间隙固溶于钛中，本文设计一种全新的钛合金换热管封口焊的保护装置和焊接方法，能够成功的解决了这一技术难题。

1、 传统的钛合金换热器的封口焊保护装置和焊接方法

目前复合板管板与钛合金换热管封口氩弧焊在焊接过程中，传统的保护装置为联接于焊枪上的拖罩（图1），其体积太大，不仅使用不便，且拖罩的平面不能无限接近封口焊处，距离较远，保护效果较差，容易使钛合金氧化变色，空气中的氧间隙固溶于钛中，使得钛晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性却降低，从而严重影响焊接质量。

图1 拖罩示意图

图2 换热管和坡口示意图

朱劭瑜等 钛合金换热器的封口焊焊接方法及保护装置传统的焊接方法是多层焊，每层由于间隔时间太短，容易使钛合金超温度，温度过高，空气中的氧和氮、氢容易进入钛合金，钛管的焊缝颜色容易发黑，从而带来焊接质量的隐患。

所以，运用传统的保护装置和焊接方法都不是很理想，因此，需要创新保护装置和焊接方法来实现钛合金封口焊高质量的焊接。

2、 新的焊接保护装置和方法

2.1 气体保护装置的创新：考虑到传统的保护装置体积太大，拖罩的平面不能无限接近封口焊处，距离较远，较小的罩子不能起到保护的作用，所以保护作用不佳，考虑将保护气体从外送入管子内部，然后让保护气体从里面源源不断的出来保护施焊的空间和部位，从而阻止空气进入封口焊时的焊接熔池。因此，创新设计了一种气体保护装置，如下图所示：

图3 气体保护装置详细图

图4 挡气盘外观装置

如图3所示：本装置由进气管、气氛室、铜丝过滤网、旋转挡气盘、出气孔装置、定位橡胶圈组成：

2.1.1 设计的保护装置的进气管的功能主要是通纯氩气，连接氩气瓶：进气管必须保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变；进气管应充分考虑进气管的动态效应（惯性效应和波动效应）以提高充气效率，此外还要考虑进气均匀性。所以进管的材质选择了硬质塑料；

2.1.2 氩气由进气管进来之后，到达底部气氛室进行沉淀：气氛室选用不锈钢材质，为了和换热管接触不氧化换热管；气氛室是一个用于容纳气体的空间，它最核心的要点是密封性能良好。它采用不锈钢钣金，包括一个圆钢加工成带底部的筒体，还包括一个上面密封气氛室的盖板，盖板和筒体通过螺纹连接；气氛室上方的盖板与气氛室最上方左右两侧的安装块连接，安装块上有连接孔；气氛室中间有个下沉气体管，它的功能是将气体均匀的沉积在气氛室底部，经上方喷出得到均匀分布和缓冲；

2.1.3 氩气进来到达气氛室后，要经过铜丝过滤网，氩气经过铜丝过滤网长时间的过滤之后从保护装置的出气孔出来，进入旋转挡气盘底部：出气孔装置中的出气板间距分布尽量均匀，以保证出气平缓；旋转挡气盘（如图4）的功能是当气流经过铜丝网后，便又得到了再次分配，这就改善了氩气的流动状态，最大限度的使氩气停留在这个空间之内，在焊接时使得熔池金属直接在氩气平流层的保护下凝固成型，焊枪和气体保护装置在使用的过程中连成一体，以便于操作。

旋转挡气盘（如图4）结构材质为不锈钢，紧凑稳固、设计合理；旋转挡气盘固定在保护装置的最外面，与管板钛合金复合层接触的材质是橡胶圈；旋转挡气盘的长度按照管板的管子之间的间距而定，可以横跨旁边管子，横在旁边管子周围，这样保护气体的范围更大。

2.1.4 如图3，此装置有橡胶定位，随插随用，装卸方便。

2.2 焊接方法的创新：

传统的焊接方法是多层焊，焊接坡口如（图5）所示，每层由于间隔时间太短，容易使钛合金超温度，所以我们重新创新了焊接方法。

具体方法如下：

（1）坡口形式作了新的改变，（如图6），坡口在原有的V型的基础之上做了一个台阶面，台阶面的宽度设置在1mm，增加台阶面的目的是为了焊接最后一层，能更好的覆盖中间层，起到保护的作用。

（2）焊前清理：将清洗剂倒在干净的布上，擦拭管板和换热板的坡口，坡口表面不得有油污、铁锈等。

（3）焊接：常规的焊接方法是用连续多层焊接完成，按如下方式实现：

图5 常规封口焊

图6 改进封口焊

第一步：先在所有的换热管封口焊里面均匀撒上少许钛合金焊接活性剂，焊接活性剂不仅使气孔明显减少，而且熔深成倍增加。

第二步：把焊枪靠近封口焊坡口，开始第一层打底氩弧焊焊接不填丝，电流100A，电压12V，空熔焊一圈，以保证后面的焊接质量；氩弧焊工作前要放钨极，目前钨极有好多种，这里我们选用镧钨电极，它的引弧更容易，电弧稳定性能更好。

第三步：然后不再焊接第二层，直接焊接钛合金焕热管相邻位置封口焊的第一层（图7），以此类推直到把周围换热管封口焊的第一层全部焊完之后，才开始焊接第二层；

图7 管板封口焊位置图

第四步：开始第二层焊接，焊接的时候进行填丝焊接，一直焊到和那个台阶面平齐（图6）；然后不再焊接第三层，直接焊接钛合金焕热管相邻位置封口焊的第二层，以此类推直到把周围换热管封口焊的第二层全部焊完之后，才开始焊接第三层；第二层焊接的时候，采用直径为φ1.2的氩弧焊焊丝进行填丝焊接，焊接电流为110A，电压为12V，氩气流量为10-12L/min。

第二层的时候，一手控制焊丝，根据熔池的变化情况，均匀的将焊丝送进，一手掌握焊枪，保持焊把的稳定性和行进速度。焊接第二层的时候，将焊丝夹在拇指和食指直间，通过拇指向前移动，持续均匀的将焊丝送入熔池。

第五步：第三次盖面焊接时采用填丝方式进行焊接，直到焊接完整个台阶面（图6中c、d）为止。其中焊接电流为110A，电压为12V，氩气流量为10-12L/min。

此焊接方法是在焊接过程中由于是分层焊接，层与层之间有时间差，层间温度不会太高，从而保证了焊接的质量。

3、结语

3.1 传统的保护装置体积太大，拖罩的平面不能无限接近封口焊处，距离较远，较小的罩子不能起到保护的作用，所以保护作用不佳。上述提供的这种新式钛合金换热管与管板的封口焊的保护装置，能深入管子内部，从内部源源不断的提供保护气体，进行焊接时的全方位的保护，这种保护装置不仅结构紧凑、安装使用方便、节省气体流量，是一种全新型的保护装置。

3.2 创新后的焊接方法有以下优势：

3.2.1 V型加下沉式台阶相当于一个新型的，在管子管板领域具有创造性的新型坡口型式：V型坡口型式是为了焊接良好，加下沉式台阶有以下作用：1、可以增大焊接时焊枪的旋转空间，封口焊机的机头都比较紧密，能有宽的坡口面，对发挥焊接时的气体保护的作用非常大。由于有效焊接面积增大，惰性气体可以很好的铺开，把电弧周围的空气隔绝开，保护好电极，从而杜绝空气对焊接的影响。2、由于台阶面的面积大于V型坡口的面积，台阶面面层可以起到一层保护中间焊接层的作用；3、因为台阶面的面积大于V型坡口的 面积，也就是台阶面的熔覆金属量大于V型坡口的熔覆金属量，可以起到耐冲刷的作用，同时保证了焊接的紧密性和焊缝的强度、抗疲劳性，全面提高焊接质量。

3.2.2 三层焊接中，打低焊加中间层焊接，再到盖面焊接。1、打低焊接时加活性剂的作用是为了增大焊接的熔深，而铺活性剂的量很关键，就是不能多也不能少。铺到均匀的程度才可以达到增大熔深而不烧穿管子母材。2、钛合金焊接时参数的选择很关键，气体的流量和配比，都在影响着焊接的质量。如果参数选用不当，会形成较多的熔池，并且熔池的温度高，这会使得焊缝及热影响区金属在高温停留的时间较大，晶粒长大倾向明显，使得接头塑性和韧性下降，导致产生焊接缺陷。3、分层、分时焊接是为了将焊接应力释放，保持合理的层间温度，将焊接资源最大调配，以最优的方法和最短的时间，达到最优的焊接效果。

综上，钛合金换热器的封口焊焊接方法及保护装置，从气体的保护装置、坡口型式，焊接的参数选择，钨极的选择等，从这一系列方法中创造性的提炼出一种新型方法，使得焊接过程稳步推进，并且在最短的时间来焊接得到最优的结果，并且成本低，效率高，有应用的价值。

参考文献

[1] 李永兵，马运五，楼铭，等.轻量化薄壁结构点连接技术研究进展[J]．机械工程学报，2020，56(6)：125-146．

[2] 殷亚运,高瑞,罗皓,等．Gr.2 换热管与管板的 TIG 封焊工艺研究[J]．热加工工艺，2022，Vol.51,No.11

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