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(chǎn)品),換熱管的數(shù)量為468根,換熱管和管板均為工業(yè)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(fā)生體積膨脹,產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生泄漏是換熱器不能正常工作的主要原因?國內外技術規(guī)則對管子-管板焊接接頭的參數(shù)變化和質量評價都作了嚴格的規(guī)定,為保證產(chǎn)品質量,需要用試驗方法確定焊接工藝和參數(shù)?

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(xiàn)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(shù),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(yōu)化措施

2.1焊接方法?設備與施工環(huán)境

鈦設備的焊接應在干凈?專用的車間或區(qū)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(wěn)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(shù)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(shù)等全位置管子一管板自動焊所必須的參數(shù)進行編程,滿足焊接過程對程序參數(shù)的要求和參數(shù)的精確執(zhí)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(chǎn)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(guī)格分別為:管子TA2φ16ml×0.8mm,管板(TA2δ=52mm)。

2.3接頭形式與焊接參數(shù)

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(shù)是否適當直接影響焊接質量,焊接參數(shù)的調整是制定焊接工藝的重要依據(jù)?對于管子一管板的焊接,焊接參數(shù)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(jù)結構特點,通過試驗采用了如表1所示的參數(shù),取得了滿意結果?

其它參數(shù)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(guī)格和端部形狀影響許用電流?引弧?穩(wěn)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?shù)牟牧?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(qū)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(fā)現(xiàn)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(shù)?

焊縫同一部位的焊補次數(shù)不宜超過2次,如超過,焊補前應經(jīng)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(chǎn)品焊接,取得了滿意結果,經(jīng)密封性檢查和表面100%滲透檢查,一次合格?安裝后產(chǎn)品運行狀況一直良好,未發(fā)生管端焊縫泄漏現(xiàn)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(yè)進展,2004,2l(3):35

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

[4]徐明文.化工機械制造[M].北京:化學工業(yè)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(yè)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(yè)出版社,1992

[7]馮興奎.過程設備焊接[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003

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