熱管是一種高效的傳熱元件，利用全封閉真空管內(nèi)部工質(zhì)的連續(xù)相變來完成熱量的持續(xù)轉(zhuǎn)移，具有很高的導(dǎo)熱性和良好的等溫性。利用熱管作為換熱元件的熱管式換熱器，其換熱效率可以達(dá)到 98%，體積只是普通換熱器的 1 /3，應(yīng)用前景廣闊。鈦合金具有比強度高、無磁、焊接性好、耐海水腐蝕等特點，是一種非常適合海洋環(huán)境使用的材料。采用鈦合金材料制造熱管式換熱器，可以同時發(fā)揮熱管的高效換熱及鈦制換熱器的小型化、輕量化和耐腐蝕，在艦艇高戰(zhàn)技化發(fā)展趨勢下具有突出研究價值和應(yīng)用前景。 

對于常規(guī)的管殼式換熱器，換熱管伸出管板外表面距離小，有很成熟的焊接工藝對管板與換熱管進(jìn)行連接，如脹接、焊接或脹焊并用等。對于熱管式換熱器，首先無法采用脹接進(jìn)行連接。若采用焊接連接，由于熱管蒸發(fā)端和冷凝端要伸 出管板外一定長度，傳統(tǒng)焊接工藝方法需要相鄰熱管之間具有足夠的施焊空間，這勢必會降低熱管的分布密度。此外，即便有足夠的施焊空間， 由于熱管良好的散熱性，采用常規(guī)焊接工藝直接焊接熱管與管板，焊接時也容易出現(xiàn)各種問題， 如未熔合、燒穿、氧化、裂紋等，容易造成報廢?？刹鹗浇Y(jié)構(gòu)在熱管式換熱器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是這種結(jié)構(gòu)形式不能承受過大壓差，一般用于氣態(tài)流體換熱，且容易出現(xiàn)密封件在高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境下長期服役后失效的現(xiàn)象而導(dǎo)致滲漏，可靠性與焊接結(jié)構(gòu)相比較低。對于在承受較大內(nèi)外壓差( 10 MPa 以上) 的深海環(huán)境下服役的鈦制熱管式換熱器，熱管與管板的可靠連接是研制此類特種換熱器的核心難點，尚未見相關(guān)公開報道。 

本研究設(shè)計了一種針對鈦制熱管式換熱器的熱管與管板連接工藝，可以顯著降低熱管排管間距，提高排管密度，進(jìn)而提高換熱性能，同時連接接頭具有足夠的強度和氣/水密性，能承受較大的內(nèi)外壓差，連接工藝可操作性及可重復(fù)性強，為高性能鈦制熱管式換熱器的研制奠定了關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)。

1、接頭設(shè)計

接頭設(shè)計總體思路為首先在熱管管殼上預(yù)裝一段套管( 制備成熱管前) ，采用脈沖 TIG 焊工藝焊接熱管管殼與套管間角焊縫，然后再進(jìn)行熱管制備，在完成單個熱管元件制備后，裝配熱管套管組件進(jìn)管板孔內(nèi)，采用真空電子束焊接技術(shù)焊接套管與管板間環(huán)形對接焊縫。這種接頭連接形式克服了直接焊接熱管時可能產(chǎn)生的諸多不利影響，同時熱管可以排布得很緊密，因為電子束焊接時發(fā)射電子束流的電子槍離待焊區(qū)有一定距離，通常遠(yuǎn)大于熱管伸出管板的長度。此外，由于電子束焊接是在真空環(huán)境下進(jìn)行焊接， 從根本上杜絕了鈦合金焊接時發(fā)生氧化及產(chǎn)生焊接氣孔的可能。接頭設(shè)計示意圖如圖 1 所示。

圖 1 接頭設(shè)計示意圖

2、接頭制備

2.1 套管制備 

套管的材質(zhì)及高度與管板相同，套管內(nèi)徑比 熱管外徑大 0.2 ～ 0.4 mm，套管的壁厚應(yīng)比套管與熱管間角焊縫焊腳高度大 2 ～ 3 mm。套管裝入管板孔內(nèi)后，要求套管周向與管孔裝配間隙不大 于 0.1 mm，套管上、下表面與管板上、下表面錯邊要求不大于 0.1 mm。

2.2 套管與熱管管殼裝焊 

在熱管的管殼特定位置( 由換熱器設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸決定) 安裝套管，隨后采用脈沖 TIG 焊接工藝焊接套管與熱管間角焊縫，填充焊絲材質(zhì)由具體的待焊熱管管殼材質(zhì)和管板材質(zhì)決定，要求角焊縫焊腳高為待焊熱管壁厚的 1 ～ 1.5 倍。焊接 工藝參數(shù)見表 1。焊槍和管殼內(nèi)部保護(hù)氣均采用 99.99%純度的氬氣，流量 10 ～ 20 L /min。

表 1 TIG 焊接工藝參數(shù)

2.3 熱管套管組件與管板裝配 完成套管與熱管管殼裝焊后，先按熱管本身的制備工藝完成單個熱管制備及檢測。隨后將熱管套管組件裝入管板孔內(nèi)，套管上、下表面與管板上、下表面齊平。裝配到位后采用 TIG 焊進(jìn)行點焊固定。管板上孔的直徑大小按滿足套管周向外表面與管孔內(nèi)表面配合間隙不大于 0. 1 mm 要求加工制備。相鄰管板孔中心距在不考慮結(jié)構(gòu)強度情況下最小可比管孔直徑大 4～6 mm。裝配前對裝配區(qū)按 CB 1216—2012 中有關(guān)要求進(jìn)行機械清理和化學(xué)清理，去除鈦合金表面氧化膜和油污。清理區(qū)域為待焊區(qū)及其周圍 25 mm 范圍。

2.4 熱管套管組件與管板焊接 

套管與管板之間采用真空電子束自熔焊接。通過工藝試驗，每個套管與管板間環(huán)焊縫分三道次焊接可以獲得較好的焊縫成型和焊接接頭質(zhì) 量。第一道次進(jìn)行定位焊，第二道次進(jìn)行固定焊，第三道次進(jìn)行修飾焊。工藝參數(shù)的制定應(yīng)滿足焊后熔深不小于熱管壁厚的 2 倍為宜，從而保證足夠的承載能力，優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)見表 2。對于固定焊和修飾焊，從起弧開始至焊接 1 /4 圓周，電子束流由 0 mA 逐漸增加至表中規(guī)定的電子束流范圍，然后用該電子束流繼續(xù)焊接一圈， 最后電子束流再在 1 /4 圓周內(nèi)逐漸衰減至0 mA。

表 2 電子束焊接工藝參數(shù)

3、接頭質(zhì)量檢測

3.1 焊縫外觀 采用上述工藝制備的一個熱管與管板連接試件如圖 2 所示。其中管板和套管材料牌號 TA24，換熱管牌號 Ti31，換熱管規(guī)格 Φ15 mm × 1.25 mm，管孔中心距為 28 mm，分布為正三角形。TIG 焊用填充焊絲牌號 TA24－1，規(guī)格 Φ2.0 mm。電子束焊接為自熔焊，無填充焊材。從圖 2 可見 TIG 焊及電子束焊縫成型均勻美觀，顏色呈銀白色，無裂紋、氣孔、咬邊、未熔合、燒穿等缺陷，表明焊接工藝規(guī)范制定得當(dāng)。

圖 2 焊接樣件

3.2 焊縫無損檢測 

對 TIG 焊和電子束焊縫按 NB /T 47013.5— 2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲透檢測，結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) I 級。

3.3 焊縫低倍金相檢測 根據(jù) GB /T 6417.1—2005 標(biāo)準(zhǔn)，觀察焊縫低倍組織，未見裂紋、孔穴、夾雜、未熔合等缺陷，低倍金相如圖 3 所示。經(jīng)測量，電子束焊縫熔深為 3.2 ～ 3.4 mm。 

3.4 水壓試驗 

制作水壓試驗工裝，對一側(cè)焊接接頭進(jìn)行了 13.5 MPa 水壓試驗，保壓 30 min，試驗件無肉眼可見變形、異響，焊縫無滲漏，表明設(shè)計的接頭形式及相應(yīng)的焊接工藝規(guī)范獲得的接頭具有足夠的承壓能力，水壓試驗合格。

圖 3 接頭橫截面形貌

3.5 拉脫試驗

 為了考察焊接接頭的強度，任選 3 個管孔行整體線切割，然后加工連接螺紋，保證加工螺紋不影響到電子束對接縫。用設(shè)計的專用拉斷工裝組成拉伸試驗件，見圖 4( a) 。在標(biāo)準(zhǔn)的管拉伸試驗機上進(jìn)行了 3 件拉脫試樣的軸向拉伸。結(jié)果表明，所有試驗件斷裂位置全部位于遠(yuǎn)離焊接區(qū)的管材上，抗拉強度分別為 759 MPa、759 MPa、761 MPa，超過 Ti31 管材抗拉強度下限要求值，表明焊接接頭強度不低于管材本身。拉斷后實物如圖 4( b) 所示。

圖 4 拉脫試驗

4、結(jié)論

( 1) 在熱管和管板之間增加過渡套管，并采用 TIG 焊焊接熱管與套管角焊縫，采用真空電子束焊焊接套管與管板，可以實現(xiàn)承受較大內(nèi)外壓差的鈦制熱管式換熱器的熱管與管板的可靠連接。

( 2) 制備的樣件焊接接頭外觀、無損檢測、低倍金相檢測可以滿足行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以承受 13.5 MPa 水壓試驗，拉脫試驗時斷裂位于遠(yuǎn)離焊縫的原始管材上。