引言

在石油、化工、冶金、電力等行業(yè)與熱相關(guān)的生產(chǎn)過(guò)程中，換熱器因長(zhǎng)期在腐蝕環(huán)境下服役，換熱管管頭泄漏時(shí)常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%的換熱器管頭泄漏是由于焊接質(zhì)量問(wèn)題造成的，焊接過(guò)程中出現(xiàn)的管頭氧化、熔合不良、強(qiáng)度不足、焊縫不連續(xù)、最小泄漏通道尺寸不足、管頭燒爛、焊接氣孔等均可能誘發(fā)管頭泄漏 [1] 。所以管板與換熱管的封口焊是換熱器的制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，封口焊工藝由此對(duì)封口焊的質(zhì)量起著至關(guān)重要的影響。

由于鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦合金代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對(duì)于進(jìn)一步提高企業(yè)生產(chǎn)率，改善質(zhì)量，,增長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低耗能，減少生產(chǎn)能耗，節(jié)約材料成本，避免環(huán)境污染，改善職工勞動(dòng)條件和增加企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率等工作方面均具有非常重大的意義。所以，鈦合金換熱器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中在厚壁換熱管大型鈦合金換熱器建造過(guò)程中的管板封焊難度大，是核心的工藝技術(shù) [2] 。

鈦合金換熱器（鈦換熱器）中復(fù)合板管板與鈦合金換熱管封口焊在焊接過(guò)程中，常采用管板開(kāi)坡口、換熱管伸出管板表面或與管板表面齊平的接頭形式，目前最常用的坡口形式為V型坡口，但是在焊接的過(guò)程中，由于連續(xù)焊接多層焊接，溫度過(guò)高，容易使鈦合金氧化變色，空氣中的氧間隙固溶于鈦中，本文設(shè)計(jì)一種全新的鈦合金換熱管封口焊的保護(hù)裝置和焊接方法，能夠成功的解決了這一技術(shù)難題。

1、 傳統(tǒng)的鈦合金換熱器的封口焊保護(hù)裝置和焊接方法

目前復(fù)合板管板與鈦合金換熱管封口氬弧焊在焊接過(guò)程中，傳統(tǒng)的保護(hù)裝置為聯(lián)接于焊槍上的拖罩（圖1），其體積太大，不僅使用不便，且拖罩的平面不能無(wú)限接近封口焊處，距離較遠(yuǎn)，保護(hù)效果較差，容易使鈦合金氧化變色，空氣中的氧間隙固溶于鈦中，使得鈦晶格畸變，變形抗力增加，強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性卻降低，從而嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

圖1 拖罩示意圖

圖2 換熱管和坡口示意圖

朱劭瑜等 鈦合金換熱器的封口焊焊接方法及保護(hù)裝置傳統(tǒng)的焊接方法是多層焊，每層由于間隔時(shí)間太短，容易使鈦合金超溫度，溫度過(guò)高，空氣中的氧和氮、氫容易進(jìn)入鈦合金，鈦管的焊縫顏色容易發(fā)黑，從而帶來(lái)焊接質(zhì)量的隱患。

所以，運(yùn)用傳統(tǒng)的保護(hù)裝置和焊接方法都不是很理想，因此，需要?jiǎng)?chuàng)新保護(hù)裝置和焊接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鈦合金封口焊高質(zhì)量的焊接。

2、 新的焊接保護(hù)裝置和方法

2.1 氣體保護(hù)裝置的創(chuàng)新：考慮到傳統(tǒng)的保護(hù)裝置體積太大，拖罩的平面不能無(wú)限接近封口焊處，距離較遠(yuǎn)，較小的罩子不能起到保護(hù)的作用，所以保護(hù)作用不佳，考慮將保護(hù)氣體從外送入管子內(nèi)部，然后讓保護(hù)氣體從里面源源不斷的出來(lái)保護(hù)施焊的空間和部位，從而阻止空氣進(jìn)入封口焊時(shí)的焊接熔池。因此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種氣體保護(hù)裝置，如下圖所示：

圖3 氣體保護(hù)裝置詳細(xì)圖

圖4 擋氣盤(pán)外觀裝置

如圖3所示：本裝置由進(jìn)氣管、氣氛室、銅絲過(guò)濾網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)、出氣孔裝置、定位橡膠圈組成：

2.1.1 設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置的進(jìn)氣管的功能主要是通純氬氣，連接氬氣瓶：進(jìn)氣管必須保證足夠的流通面積，避免轉(zhuǎn)彎及截面突變；進(jìn)氣管應(yīng)充分考慮進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)（慣性效應(yīng)和波動(dòng)效應(yīng)）以提高充氣效率，此外還要考慮進(jìn)氣均勻性。所以進(jìn)管的材質(zhì)選擇了硬質(zhì)塑料；

2.1.2 氬氣由進(jìn)氣管進(jìn)來(lái)之后，到達(dá)底部氣氛室進(jìn)行沉淀：氣氛室選用不銹鋼材質(zhì)，為了和換熱管接觸不氧化換熱管；氣氛室是一個(gè)用于容納氣體的空間，它最核心的要點(diǎn)是密封性能良好。它采用不銹鋼鈑金，包括一個(gè)圓鋼加工成帶底部的筒體，還包括一個(gè)上面密封氣氛室的蓋板，蓋板和筒體通過(guò)螺紋連接；氣氛室上方的蓋板與氣氛室最上方左右兩側(cè)的安裝塊連接，安裝塊上有連接孔；氣氛室中間有個(gè)下沉氣體管，它的功能是將氣體均勻的沉積在氣氛室底部，經(jīng)上方噴出得到均勻分布和緩沖；

2.1.3 氬氣進(jìn)來(lái)到達(dá)氣氛室后，要經(jīng)過(guò)銅絲過(guò)濾網(wǎng)，氬氣經(jīng)過(guò)銅絲過(guò)濾網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)濾之后從保護(hù)裝置的出氣孔出來(lái)，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)底部：出氣孔裝置中的出氣板間距分布盡量均勻，以保證出氣平緩；旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)（如圖4）的功能是當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)銅絲網(wǎng)后，便又得到了再次分配，這就改善了氬氣的流動(dòng)狀態(tài)，最大限度的使氬氣停留在這個(gè)空間之內(nèi)，在焊接時(shí)使得熔池金屬直接在氬氣平流層的保護(hù)下凝固成型，焊槍和氣體保護(hù)裝置在使用的過(guò)程中連成一體，以便于操作。

旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)（如圖4）結(jié)構(gòu)材質(zhì)為不銹鋼，緊湊穩(wěn)固、設(shè)計(jì)合理；旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)固定在保護(hù)裝置的最外面，與管板鈦合金復(fù)合層接觸的材質(zhì)是橡膠圈；旋轉(zhuǎn)擋氣盤(pán)的長(zhǎng)度按照管板的管子之間的間距而定，可以橫跨旁邊管子，橫在旁邊管子周?chē)?，這樣保護(hù)氣體的范圍更大。

2.1.4 如圖3，此裝置有橡膠定位，隨插隨用，裝卸方便。

2.2 焊接方法的創(chuàng)新：

傳統(tǒng)的焊接方法是多層焊，焊接坡口如（圖5）所示，每層由于間隔時(shí)間太短，容易使鈦合金超溫度，所以我們重新創(chuàng)新了焊接方法。

具體方法如下：

（1）坡口形式作了新的改變，（如圖6），坡口在原有的V型的基礎(chǔ)之上做了一個(gè)臺(tái)階面，臺(tái)階面的寬度設(shè)置在1mm，增加臺(tái)階面的目的是為了焊接最后一層，能更好的覆蓋中間層，起到保護(hù)的作用。

（2）焊前清理：將清洗劑倒在干凈的布上，擦拭管板和換熱板的坡口，坡口表面不得有油污、鐵銹等。

（3）焊接：常規(guī)的焊接方法是用連續(xù)多層焊接完成，按如下方式實(shí)現(xiàn)：

圖5 常規(guī)封口焊

圖6 改進(jìn)封口焊

第一步：先在所有的換熱管封口焊里面均勻撒上少許鈦合金焊接活性劑，焊接活性劑不僅使氣孔明顯減少，而且熔深成倍增加。

第二步：把焊槍靠近封口焊坡口，開(kāi)始第一層打底氬弧焊焊接不填絲，電流100A，電壓12V，空熔焊一圈，以保證后面的焊接質(zhì)量；氬弧焊工作前要放鎢極，目前鎢極有好多種，這里我們選用鑭鎢電極，它的引弧更容易，電弧穩(wěn)定性能更好。

第三步：然后不再焊接第二層，直接焊接鈦合金煥熱管相鄰位置封口焊的第一層（圖7），以此類(lèi)推直到把周?chē)鷵Q熱管封口焊的第一層全部焊完之后，才開(kāi)始焊接第二層；

圖7 管板封口焊位置圖

第四步：開(kāi)始第二層焊接，焊接的時(shí)候進(jìn)行填絲焊接，一直焊到和那個(gè)臺(tái)階面平齊（圖6）；然后不再焊接第三層，直接焊接鈦合金煥熱管相鄰位置封口焊的第二層，以此類(lèi)推直到把周?chē)鷵Q熱管封口焊的第二層全部焊完之后，才開(kāi)始焊接第三層；第二層焊接的時(shí)候，采用直徑為φ1.2的氬弧焊焊絲進(jìn)行填絲焊接，焊接電流為110A，電壓為12V，氬氣流量為10-12L/min。

第二層的時(shí)候，一手控制焊絲，根據(jù)熔池的變化情況，均勻的將焊絲送進(jìn)，一手掌握焊槍?zhuān)３趾赴训姆€(wěn)定性和行進(jìn)速度。焊接第二層的時(shí)候，將焊絲夾在拇指和食指直間，通過(guò)拇指向前移動(dòng)，持續(xù)均勻的將焊絲送入熔池。

第五步：第三次蓋面焊接時(shí)采用填絲方式進(jìn)行焊接，直到焊接完整個(gè)臺(tái)階面（圖6中c、d）為止。其中焊接電流為110A，電壓為12V，氬氣流量為10-12L/min。

此焊接方法是在焊接過(guò)程中由于是分層焊接，層與層之間有時(shí)間差，層間溫度不會(huì)太高，從而保證了焊接的質(zhì)量。

3、結(jié)語(yǔ)

3.1 傳統(tǒng)的保護(hù)裝置體積太大，拖罩的平面不能無(wú)限接近封口焊處，距離較遠(yuǎn)，較小的罩子不能起到保護(hù)的作用，所以保護(hù)作用不佳。上述提供的這種新式鈦合金換熱管與管板的封口焊的保護(hù)裝置，能深入管子內(nèi)部，從內(nèi)部源源不斷的提供保護(hù)氣體，進(jìn)行焊接時(shí)的全方位的保護(hù)，這種保護(hù)裝置不僅結(jié)構(gòu)緊湊、安裝使用方便、節(jié)省氣體流量，是一種全新型的保護(hù)裝置。

3.2 創(chuàng)新后的焊接方法有以下優(yōu)勢(shì)：

3.2.1 V型加下沉式臺(tái)階相當(dāng)于一個(gè)新型的，在管子管板領(lǐng)域具有創(chuàng)造性的新型坡口型式：V型坡口型式是為了焊接良好，加下沉式臺(tái)階有以下作用：1、可以增大焊接時(shí)焊槍的旋轉(zhuǎn)空間，封口焊機(jī)的機(jī)頭都比較緊密，能有寬的坡口面，對(duì)發(fā)揮焊接時(shí)的氣體保護(hù)的作用非常大。由于有效焊接面積增大，惰性氣體可以很好的鋪開(kāi)，把電弧周?chē)目諝飧艚^開(kāi)，保護(hù)好電極，從而杜絕空氣對(duì)焊接的影響。2、由于臺(tái)階面的面積大于V型坡口的面積，臺(tái)階面面層可以起到一層保護(hù)中間焊接層的作用；3、因?yàn)榕_(tái)階面的面積大于V型坡口的 面積，也就是臺(tái)階面的熔覆金屬量大于V型坡口的熔覆金屬量，可以起到耐沖刷的作用，同時(shí)保證了焊接的緊密性和焊縫的強(qiáng)度、抗疲勞性，全面提高焊接質(zhì)量。

3.2.2 三層焊接中，打低焊加中間層焊接，再到蓋面焊接。1、打低焊接時(shí)加活性劑的作用是為了增大焊接的熔深，而鋪活性劑的量很關(guān)鍵，就是不能多也不能少。鋪到均勻的程度才可以達(dá)到增大熔深而不燒穿管子母材。2、鈦合金焊接時(shí)參數(shù)的選擇很關(guān)鍵，氣體的流量和配比，都在影響著焊接的質(zhì)量。如果參數(shù)選用不當(dāng)，會(huì)形成較多的熔池，并且熔池的溫度高，這會(huì)使得焊縫及熱影響區(qū)金屬在高溫停留的時(shí)間較大，晶粒長(zhǎng)大傾向明顯，使得接頭塑性和韌性下降，導(dǎo)致產(chǎn)生焊接缺陷。3、分層、分時(shí)焊接是為了將焊接應(yīng)力釋放，保持合理的層間溫度，將焊接資源最大調(diào)配，以最優(yōu)的方法和最短的時(shí)間，達(dá)到最優(yōu)的焊接效果。

綜上，鈦合金換熱器的封口焊焊接方法及保護(hù)裝置，從氣體的保護(hù)裝置、坡口型式，焊接的參數(shù)選擇，鎢極的選擇等，從這一系列方法中創(chuàng)造性的提煉出一種新型方法，使得焊接過(guò)程穩(wěn)步推進(jìn)，并且在最短的時(shí)間來(lái)焊接得到最優(yōu)的結(jié)果，并且成本低，效率高，有應(yīng)用的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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