钛材换热器与管板焊接工艺的应用实践

文献娜，胡尊旭，张开敏(山东金沂蒙化工机械有限公司，山东 临沂 276700)

0 引言

绕管式换热器作为一种特殊形式换热器，具有多种功能用途，其紧凑的结构、高效传热性能、耐高压，以及具有热力补偿功能等特点，具有较好的热力交换能力。主要结构由壳体、管箱、管束体等构成，尤其是管束体由换热管与多组不同角度的螺旋状管板通过绕管焊接在一起，根据绕管换热效果和设计角度的不同，最多的焊点接头可达上万个，为了确保性能符合标准，焊接完成后，还要经过高温、高压的抗性检验，避免在工作状态下出现泄漏，加之绕管换热器的复杂结构，一旦出现问题造成的检修困难，因此，加强换热器与管板的焊接质量管理尤为重要，不仅关系到工作时的热交换效果，更影响换热管的运行安全。在换热器的制造过程中，为了提高质量管理和焊接效果，延长换热器的工作使用寿命，常采用自动脉冲的钨极氢弧焊技术进行深度熔透，该技术可有效调节热源温度和停留时长，确保焊接过程的温度稳定，对比手工焊接具有较完整的焊缝衔接，具有极高美学价值。虽然氢弧焊技术有一定的技术优势，但是，针对由钛材料制成的换热器上进行管板焊接，却有一定的技术难度。主要因为钛材本身拥有较好韧性、可塑性，而且耐腐蚀性能好，在诸多领域得到广泛应用，其耐腐性也远高于普通铝制品和不锈钢，在焊接时钛材却极易受氧化和氮化，焊接后性能变脆，强度较低，不适宜对管板进行焊接[1]。但基于钛材的良好特性适于制造加工换热器，提高换热器的热交换性能，因此，需要提升钛材的焊接技术应用，提高焊接质量管理。

1 焊接技术难点分析

1.1 接头焊接结构

常规情况下，换热器与管板之间的焊接缝隙较小，管板的厚度达到100 mm以上，换热器管子厚度只有1.0～1.5 mm，直径为Φ15～19 mm，焊接时要求管子和管板在贴胀条件下开始焊接，并且熔透焊接提升强度。

1.2 接头焊接难点

因为换热管的管壁较薄、内径小，焊接管板的厚度大，内径也大，两者在焊接时存在厚度差异，有较大的热容量差距，在焊接过程中，如果温度控制不好，很容易出现管子边缘温度传导不均，造成薄管壁的换热管先受热而产生内缩，为后期管板再度焊接增大难度。

此外，在焊接作业时，因高温受热溶液会受重力作用产生一定范围的流动，待冷却后造成换热管管体与焊缝的不规则，成型较差，影响换热体运行时的稳定性。

2 焊接质量的原因分析

2.1 管头熔融现象

由于常规情况下普遍是由人工操作进行管板焊接，会因人为因素造成焊接失误，比如过电流、过电压情况下焊接速度不同步会产生管头熔融现象，如上述所说，热传导不均匀，造成温度分布不均，容易导致管头成型差，造成烧穿和熔融；管板与管头焊缝尺寸较小，掌握不到位，或管头伸出短，焊枪角度出现偏差时，在高温电弧作用下，热量集中于近端，也会造成管头熔融。此外，人为焊接技术不熟练，或者疲劳作业状态下，电弧的高低分布不均，也会出现焊接误差，导致管头熔融，降低焊接质量[2]。

2.2 焊缝不压茬现象

由于焊接时要求高温熔透，但在实际操作中因为人为因素导致坡口角度不符合技术标准，造成焊缝外圈出现咬边，产生熔融不良。正常标准下换热器与管板焊接的外倒角呈现2 mm×45°，但焊接时因诸多因素导致坡口焊接不均，管板角度偏差大，坡口误差可达到4 mm×45°，增加了焊缝厚度与宽度，均由焊接参数调校不稳定导致的咬边现象。使用钨极氢弧焊技术时，通常采用两遍焊接工艺执行操作，第一遍采取自熔方式，在相同电流、电压、焊接速度等稳定参数条件下，管板焊缝熔融温度较高，焊缝较宽；当第二遍采取加入焊丝进行焊接时，参数相对不变情况下，焊接焊丝时因厚度增加，熔池温度相对降低，焊缝宽度适度变窄，因此，两遍焊接焊缝宽度不能达到完全一致，造成两遍焊接结果不能实现压茬完全覆盖，影响焊缝美观与焊接质量。

2.3 气孔产生

当焊接时由于操作焊枪的焊接角度不合理，或者氢气纯度不达标，导致氢气供应不稳定，气量忽大忽小，引起焊缝宽度和厚度不均匀，甚至造成熔穿现象发生。在开始焊接前若不对管板接口进行清理，焊接时会将杂质一起进行熔融，待冷却后，含有杂质的焊口会比其他焊口质地更脆，影响焊接质量。

2.4 渗漏现象

与气孔产生的原理类似，当焊接过程中有杂质混入时，就会造成焊缝的宽窄不一、厚薄不一，同时焊缝质量的质地也会产生变化，有的质地较脆，有的硬度则大，在质量不等的焊接处往往会出现气孔，导致换热器运行使用时出现渗漏的现象，影响运行的安全稳定性，造成一定的安全隐患[3]。

3 焊接工艺的优化方案

经过对影响焊接质量的原因进行分析，为了有效解决这一难题，提出优化方案，重点对焊接过程和准备工作进行规范化安排、合理调整。

3.1 准备阶段

(1)为了避免焊接过程中出现杂质混入，预先选择一块卫生封闭的场所作为钛材加工生产车间，车间内要铺设阻燃隔热的橡胶地板，避免产生扬尘，减少外放的通风设施安置，通过安装空调调整车间温度。

(2)为了减少人为操作导致的失误和误差，必须对焊工进行提前培训，取得特种作业人员上岗资格证后方可从事电焊作业。作业时要佩戴个体防护设施，并严格按章操作，管理人员要对操作工的劳动强度、作业时间和精神状态及时监测和评估，避免超强度作业，导致人身事故，影响工程质量。

(3)为了提高焊接所用材料质量，需要加强材料的检查和验收。注入的保护气体必须使用一级的氩气，纯度需达到99.99%，杂质含量不超过0.02%，相对湿度不大于 0.001 mg/L，输送管路需确保材质安全。其次，为了统一焊缝使用金属与管材主体金属具有同等级的耐腐蚀性和近似成分，应当使用相同材质的焊丝进行焊接，其直径为1.2 mm。焊接前应清理焊丝表面的润滑剂，确保焊丝无拉丝等边线，保持清洁整齐。

3.2 焊接作业阶段

焊接作业前必须首先清理电焊材料的表面氧化层、油脂膜等，确保杂质清除干净彻底，避免对焊口的强度、耐腐蚀性和塑性产生影响。一般情况下，通常采用丙酮先去除表层油污，再利用砂纸打磨掉焊缝及管板、焊丝表面的氧化层，直到表层裸露出金属光泽即可，随后使用绸布蘸取酒精对表层再次进行清洗，直到绸布表面不再有污渍就算彻底清理干净。清洗后的焊接材料做到随用随取，暂时不用的材料要用塑料膜进行包裹保护，防止造成污染。

开始焊接时要谨记预先进行送气30～50 s，待气量和气样稳定后再进行焊接，避免供气不足或者气量断续现象导致焊接咬边出现，影响质量。焊接结束后，要继续供气一段时间，直到温度下降到250 ℃以下，方可停气。此外，为了防止供气过程中气管内空气引入电弧，造成一定危险，需要加装气塞进行防护。

3.3 跳焊作业法

因为换热器与管板之间的焊接点位较多，普遍密集，但对于钛材料的焊接而言，钛材本身的导热性就很差，高温作业状态下不容易散热，为了提高散热效果并对钛材和管板进行保护，通常在焊接管的相邻管内加装铜棒，以便增加热量传递效果，降低高温段200℃的停留时间。此外，除了物理辅助方法外，还可以优化焊接工艺，采取回形跳焊的方法，即对一个点位管板焊接完成之后，待温度冷却后，再对间隔一个点位距离的下一个管板进行跳焊，这样有效避免了高温对钛材的破坏作用，有助于温度的分区散热，确保焊接效果和质量。跳焊工艺顺序如图1所示。

图1 跳焊工艺顺序图

3.4 气管气量调节

换热管与管板之间的焊接点位密集，尺寸间距小，一般采用封闭气罩方法进行保护较难实现，通过方法工艺改进，扩大了氩气出气口喷嘴的直径，以此增加气体喷出影响范围，在氩气的保护下，减少空气中混入氢气、氮气和氧气等浓度，避免杂质气体对焊缝质量造成影响。此外，在焊接作业时，焊枪前端应尽量靠近焊接部位，缩短气焰与管板焊缝之间的距离，同时，缩短钨极伸出的喷管口长度，避免焊接时伸出过长遮挡作业人员观察视线。

4 质量查验方法

完成焊接工作后，要对焊接质量进行检验，通常采用查外观和查着色两种方法验证。其中查外观是指检查焊缝表面有无气孔、熔边是否贴合、是否呈鱼鳞状、有无裂缝和杂质、焊缝厚薄是否均匀、有无咬边等现象，焊缝尽量显露金属光泽、均匀贴合，方可视为合格质量。着色检查是对焊缝表面的颜色进行查验，不同气体参与焊接时冷却后呈现的颜色也不相同，往往出现蓝色、灰色和紫色等颜色时说明掺杂有其他气体，需要进行补焊，一般补焊次数不得超过两次，直到检验合格为止。

5 结语

钛材与管板焊接必须确保焊接外观成型美观，质量可靠，通过对钛材焊接工艺的摸索分析，具有一定的应用价值。