鈦設(shè)備的特點(diǎn)不同于碳素鋼?不銹鋼及其它金屬設(shè)備,其制造工藝也有別于以上金屬設(shè)備?某廠使用的換熱器結(jié)構(gòu)為方形管板(引進(jìn)技術(shù),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(shè)備中,換熱器的換熱管壁厚一般在2mm左右,管端相對(duì)于管板可以是伸出或縮進(jìn),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?yàn)闅鋽U(kuò)散速度較快,溫度不高時(shí)也容易被鈦吸收,而使鈦?zhàn)兇?當(dāng)鈦加熱到300~C時(shí),開始吸氫,當(dāng)加熱到400℃時(shí),鈦對(duì)氫?氮?氧都具有較高的化學(xué)活性,當(dāng)溫度超過600℃時(shí),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(yīng)力,進(jìn)而形成裂紋?另外鐵污染亦造成鈦設(shè)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(duì)鈦設(shè)備的內(nèi)在性能和質(zhì)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(yùn)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(nèi)外技術(shù)規(guī)則對(duì)管子-管板焊接接頭的參數(shù)變化和質(zhì)量評(píng)價(jià)都作了嚴(yán)格的規(guī)定,為保證產(chǎn)品質(zhì)量,需要用試驗(yàn)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(shè)計(jì)要求,焊后管孔的內(nèi)縮量一般不超過管孔內(nèi)徑的l0%?對(duì)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(huì)導(dǎo)致管孔內(nèi)縮量超標(biāo),影響進(jìn)一步的脹管工序和工作時(shí)的換熱效率?因此,在焊接時(shí)必須嚴(yán)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(nèi)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(nèi)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(shí)管板孔邊緣還未熔化而管子已熔化,從而造成管子向內(nèi)翻邊,無法形成焊接熔池?

為適應(yīng)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(yàn)適當(dāng)調(diào)整焊接參數(shù),同時(shí)使用特殊的工裝和定位方式,保證焊縫內(nèi)在質(zhì)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(shè)備與施工環(huán)境

鈦設(shè)備的焊接應(yīng)在干凈?專用的車間或區(qū)域進(jìn)行,場(chǎng)地應(yīng)鋪設(shè)橡膠或其它軟制材料,從事有關(guān)鈦設(shè)備的制造?檢驗(yàn)等人員應(yīng)穿橡膠鞋或其它軟底鞋?所使用的鋼鐵類機(jī)具亦不能直接接觸鈦設(shè)備[2]?

目前,國內(nèi)外換熱器管子一管板接頭焊方法主要以自動(dòng)TIG焊為主,而對(duì)薄壁管最好采用脈沖TIG焊方法?脈沖自動(dòng)TIG焊方法,焊接過程脈沖式加熱,熔池金屬高溫停留時(shí)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(diào)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(dòng)TIG焊的焊接設(shè)備,應(yīng)保證定位準(zhǔn)確,調(diào)整方便,能夠?qū)Χ鄠€(gè)焊接參數(shù)進(jìn)行編程和調(diào)整?設(shè)備亦能夠?qū)μ崆八蜌?滯后停氣?預(yù)熱及脈沖參數(shù)等全位置管子一管板自動(dòng)焊所必須的參數(shù)進(jìn)行編程,滿足焊接過程對(duì)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(shí)踐證明,鈦材的含碳量較低((≤0.1%))時(shí)焊接裂紋產(chǎn)生的概率很小?其次是嚴(yán)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(shè)計(jì)要求的有效焊縫厚度應(yīng)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(zhǎng)度確定為1.5mm~2mm?

焊接參數(shù)是否適當(dāng)直接影響焊接質(zhì)量,焊接參數(shù)的調(diào)整是制定焊接工藝的重要依據(jù)?對(duì)于管子一管板的焊接,焊接參數(shù)對(duì)接頭內(nèi)在質(zhì)量和外觀成形均有影響(特別是鎢極與管板的相對(duì)位置等)[4]?根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過試驗(yàn)采用了如表1所示的參數(shù),取得了滿意結(jié)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(zhǎng)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(shí),鎢極距管板的距離小,點(diǎn)焊定位,焊點(diǎn)處易短路造成斷弧,焊點(diǎn)兩側(cè)熔合不好,因此,管子與管板采用脹接的定位方式?機(jī)械脹定位后,管端與管板間仍然存在間隙,為防止管端向內(nèi)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(shí)熔化,形成共同的焊接熔池而達(dá)到焊接的目的[5]?工裝選用與換熱管硬度相當(dāng)?shù)牟牧?加工成錐形擴(kuò)口工裝?將小頭插入管口,適度錘擊工裝的大頭側(cè),使管口擴(kuò)大,管口壁與管板貼緊為宜?

2.6氬氣保護(hù)效果判別法及缺陷返修

氬氣保護(hù)方面,也應(yīng)引起足夠的重視?因鈦在350℃以上時(shí)會(huì)強(qiáng)烈吸氫?脆化,引起氣孔及裂紋,焊接時(shí)必須將焊接接頭及附近區(qū)域保護(hù)到200℃為止?氬氣保護(hù)的效果將影響焊縫質(zhì)量,它可由焊縫表面顏色來檢查[6],如表2所示?

焊接時(shí),一旦發(fā)現(xiàn)焊后顏色不是銀白色或金黃色,應(yīng)及時(shí)磨去重新焊接?但要嚴(yán)格控制返修?補(bǔ)焊工藝與次數(shù)?

焊縫同一部位的焊補(bǔ)次數(shù)不宜超過2次,如超過,焊補(bǔ)前應(yīng)經(jīng)單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn),并采取可靠的技術(shù)措施[7]?

3、結(jié)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(jié)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(yùn)行狀況一直良好,未發(fā)生管端焊縫泄漏現(xiàn)象?實(shí)踐使我們體會(huì)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(xiàn)

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[2]阮鑫,王成君.鈦設(shè)備制造中焊接裂紋形成機(jī)理及防范對(duì)策研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2004,2l(3):35

[3]康浩方.國外鈦設(shè)備的焊接技術(shù)現(xiàn)狀[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2003,20(4~5):70

[4]徐明文.化工機(jī)械制造[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995

[5]張麥秋.化工機(jī)械制造安裝修理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2001

[6]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接于冊(cè)(第二卷):材料的焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992

[7]馮興奎.過程設(shè)備焊接[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003

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