文獻(xiàn)娜，胡尊旭，張開敏(山東金沂蒙化工機(jī)械有限公司，山東 臨沂 276700)

0 引言

繞管式換熱器作為一種特殊形式換熱器，具有多種功能用途，其緊湊的結(jié)構(gòu)、高效傳熱性能、耐高壓，以及具有熱力補(bǔ)償功能等特點(diǎn)，具有較好的熱力交換能力。主要結(jié)構(gòu)由殼體、管箱、管束體等構(gòu)成，尤其是管束體由換熱管與多組不同角度的螺旋狀管板通過(guò)繞管焊接在一起，根據(jù)繞管換熱效果和設(shè)計(jì)角度的不同，最多的焊點(diǎn)接頭可達(dá)上萬(wàn)個(gè)，為了確保性能符合標(biāo)準(zhǔn)，焊接完成后，還要經(jīng)過(guò)高溫、高壓的抗性檢驗(yàn)，避免在工作狀態(tài)下出現(xiàn)泄漏，加之繞管換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題造成的檢修困難，因此，加強(qiáng)換熱器與管板的焊接質(zhì)量管理尤為重要，不僅關(guān)系到工作時(shí)的熱交換效果，更影響換熱管的運(yùn)行安全。在換熱器的制造過(guò)程中，為了提高質(zhì)量管理和焊接效果，延長(zhǎng)換熱器的工作使用壽命，常采用自動(dòng)脈沖的鎢極氫弧焊技術(shù)進(jìn)行深度熔透，該技術(shù)可有效調(diào)節(jié)熱源溫度和停留時(shí)長(zhǎng)，確保焊接過(guò)程的溫度穩(wěn)定，對(duì)比手工焊接具有較完整的焊縫銜接，具有極高美學(xué)價(jià)值。雖然氫弧焊技術(shù)有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是，針對(duì)由鈦材料制成的換熱器上進(jìn)行管板焊接，卻有一定的技術(shù)難度。主要因?yàn)殁伈谋旧頁(yè)碛休^好韌性、可塑性，而且耐腐蝕性能好，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其耐腐性也遠(yuǎn)高于普通鋁制品和不銹鋼，在焊接時(shí)鈦材卻極易受氧化和氮化，焊接后性能變脆，強(qiáng)度較低，不適宜對(duì)管板進(jìn)行焊接[1]。但基于鈦材的良好特性適于制造加工換熱器，提高換熱器的熱交換性能，因此，需要提升鈦材的焊接技術(shù)應(yīng)用，提高焊接質(zhì)量管理。

1 焊接技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 接頭焊接結(jié)構(gòu)

常規(guī)情況下，換熱器與管板之間的焊接縫隙較小，管板的厚度達(dá)到100 mm以上，換熱器管子厚度只有1.0～1.5 mm，直徑為Φ15～19 mm，焊接時(shí)要求管子和管板在貼脹條件下開始焊接，并且熔透焊接提升強(qiáng)度。

1.2 接頭焊接難點(diǎn)

因?yàn)閾Q熱管的管壁較薄、內(nèi)徑小，焊接管板的厚度大，內(nèi)徑也大，兩者在焊接時(shí)存在厚度差異，有較大的熱容量差距，在焊接過(guò)程中，如果溫度控制不好，很容易出現(xiàn)管子邊緣溫度傳導(dǎo)不均，造成薄管壁的換熱管先受熱而產(chǎn)生內(nèi)縮，為后期管板再度焊接增大難度。

此外，在焊接作業(yè)時(shí)，因高溫受熱溶液會(huì)受重力作用產(chǎn)生一定范圍的流動(dòng)，待冷卻后造成換熱管管體與焊縫的不規(guī)則，成型較差，影響換熱體運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

2 焊接質(zhì)量的原因分析

2.1 管頭熔融現(xiàn)象

由于常規(guī)情況下普遍是由人工操作進(jìn)行管板焊接，會(huì)因人為因素造成焊接失誤，比如過(guò)電流、過(guò)電壓情況下焊接速度不同步會(huì)產(chǎn)生管頭熔融現(xiàn)象，如上述所說(shuō)，熱傳導(dǎo)不均勻，造成溫度分布不均，容易導(dǎo)致管頭成型差，造成燒穿和熔融；管板與管頭焊縫尺寸較小，掌握不到位，或管頭伸出短，焊槍角度出現(xiàn)偏差時(shí)，在高溫電弧作用下，熱量集中于近端，也會(huì)造成管頭熔融。此外，人為焊接技術(shù)不熟練，或者疲勞作業(yè)狀態(tài)下，電弧的高低分布不均，也會(huì)出現(xiàn)焊接誤差，導(dǎo)致管頭熔融，降低焊接質(zhì)量[2]。

2.2 焊縫不壓茬現(xiàn)象

由于焊接時(shí)要求高溫熔透，但在實(shí)際操作中因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致坡口角度不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，造成焊縫外圈出現(xiàn)咬邊，產(chǎn)生熔融不良。正常標(biāo)準(zhǔn)下?lián)Q熱器與管板焊接的外倒角呈現(xiàn)2 mm×45°，但焊接時(shí)因諸多因素導(dǎo)致坡口焊接不均，管板角度偏差大，坡口誤差可達(dá)到4 mm×45°，增加了焊縫厚度與寬度，均由焊接參數(shù)調(diào)校不穩(wěn)定導(dǎo)致的咬邊現(xiàn)象。使用鎢極氫弧焊技術(shù)時(shí)，通常采用兩遍焊接工藝執(zhí)行操作，第一遍采取自熔方式，在相同電流、電壓、焊接速度等穩(wěn)定參數(shù)條件下，管板焊縫熔融溫度較高，焊縫較寬；當(dāng)?shù)诙椴扇〖尤牒附z進(jìn)行焊接時(shí)，參數(shù)相對(duì)不變情況下，焊接焊絲時(shí)因厚度增加，熔池溫度相對(duì)降低，焊縫寬度適度變窄，因此，兩遍焊接焊縫寬度不能達(dá)到完全一致，造成兩遍焊接結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)壓茬完全覆蓋，影響焊縫美觀與焊接質(zhì)量。

2.3 氣孔產(chǎn)生

當(dāng)焊接時(shí)由于操作焊槍的焊接角度不合理，或者氫氣純度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致氫氣供應(yīng)不穩(wěn)定，氣量忽大忽小，引起焊縫寬度和厚度不均勻，甚至造成熔穿現(xiàn)象發(fā)生。在開始焊接前若不對(duì)管板接口進(jìn)行清理，焊接時(shí)會(huì)將雜質(zhì)一起進(jìn)行熔融，待冷卻后，含有雜質(zhì)的焊口會(huì)比其他焊口質(zhì)地更脆，影響焊接質(zhì)量。

2.4 滲漏現(xiàn)象

與氣孔產(chǎn)生的原理類似，當(dāng)焊接過(guò)程中有雜質(zhì)混入時(shí)，就會(huì)造成焊縫的寬窄不一、厚薄不一，同時(shí)焊縫質(zhì)量的質(zhì)地也會(huì)產(chǎn)生變化，有的質(zhì)地較脆，有的硬度則大，在質(zhì)量不等的焊接處往往會(huì)出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致?lián)Q熱器運(yùn)行使用時(shí)出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象，影響運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，造成一定的安全隱患[3]。

3 焊接工藝的優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)對(duì)影響焊接質(zhì)量的原因進(jìn)行分析，為了有效解決這一難題，提出優(yōu)化方案，重點(diǎn)對(duì)焊接過(guò)程和準(zhǔn)備工作進(jìn)行規(guī)范化安排、合理調(diào)整。

3.1 準(zhǔn)備階段

(1)為了避免焊接過(guò)程中出現(xiàn)雜質(zhì)混入，預(yù)先選擇一塊衛(wèi)生封閉的場(chǎng)所作為鈦材加工生產(chǎn)車間，車間內(nèi)要鋪設(shè)阻燃隔熱的橡膠地板，避免產(chǎn)生揚(yáng)塵，減少外放的通風(fēng)設(shè)施安置，通過(guò)安裝空調(diào)調(diào)整車間溫度。

(2)為了減少人為操作導(dǎo)致的失誤和誤差，必須對(duì)焊工進(jìn)行提前培訓(xùn)，取得特種作業(yè)人員上崗資格證后方可從事電焊作業(yè)。作業(yè)時(shí)要佩戴個(gè)體防護(hù)設(shè)施，并嚴(yán)格按章操作，管理人員要對(duì)操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度、作業(yè)時(shí)間和精神狀態(tài)及時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，避免超強(qiáng)度作業(yè)，導(dǎo)致人身事故，影響工程質(zhì)量。

(3)為了提高焊接所用材料質(zhì)量，需要加強(qiáng)材料的檢查和驗(yàn)收。注入的保護(hù)氣體必須使用一級(jí)的氬氣，純度需達(dá)到99.99%，雜質(zhì)含量不超過(guò)0.02%，相對(duì)濕度不大于 0.001 mg/L，輸送管路需確保材質(zhì)安全。其次，為了統(tǒng)一焊縫使用金屬與管材主體金屬具有同等級(jí)的耐腐蝕性和近似成分，應(yīng)當(dāng)使用相同材質(zhì)的焊絲進(jìn)行焊接，其直徑為1.2 mm。焊接前應(yīng)清理焊絲表面的潤(rùn)滑劑，確保焊絲無(wú)拉絲等邊線，保持清潔整齊。

3.2 焊接作業(yè)階段

焊接作業(yè)前必須首先清理電焊材料的表面氧化層、油脂膜等，確保雜質(zhì)清除干凈徹底，避免對(duì)焊口的強(qiáng)度、耐腐蝕性和塑性產(chǎn)生影響。一般情況下，通常采用丙酮先去除表層油污，再利用砂紙打磨掉焊縫及管板、焊絲表面的氧化層，直到表層裸露出金屬光澤即可，隨后使用綢布蘸取酒精對(duì)表層再次進(jìn)行清洗，直到綢布表面不再有污漬就算徹底清理干凈。清洗后的焊接材料做到隨用隨取，暫時(shí)不用的材料要用塑料膜進(jìn)行包裹保護(hù)，防止造成污染。

開始焊接時(shí)要謹(jǐn)記預(yù)先進(jìn)行送氣30～50 s，待氣量和氣樣穩(wěn)定后再進(jìn)行焊接，避免供氣不足或者氣量斷續(xù)現(xiàn)象導(dǎo)致焊接咬邊出現(xiàn)，影響質(zhì)量。焊接結(jié)束后，要繼續(xù)供氣一段時(shí)間，直到溫度下降到250 ℃以下，方可停氣。此外，為了防止供氣過(guò)程中氣管內(nèi)空氣引入電弧，造成一定危險(xiǎn)，需要加裝氣塞進(jìn)行防護(hù)。

3.3 跳焊作業(yè)法

因?yàn)閾Q熱器與管板之間的焊接點(diǎn)位較多，普遍密集，但對(duì)于鈦材料的焊接而言，鈦材本身的導(dǎo)熱性就很差，高溫作業(yè)狀態(tài)下不容易散熱，為了提高散熱效果并對(duì)鈦材和管板進(jìn)行保護(hù)，通常在焊接管的相鄰管內(nèi)加裝銅棒，以便增加熱量傳遞效果，降低高溫段200℃的停留時(shí)間。此外，除了物理輔助方法外，還可以優(yōu)化焊接工藝，采取回形跳焊的方法，即對(duì)一個(gè)點(diǎn)位管板焊接完成之后，待溫度冷卻后，再對(duì)間隔一個(gè)點(diǎn)位距離的下一個(gè)管板進(jìn)行跳焊，這樣有效避免了高溫對(duì)鈦材的破壞作用，有助于溫度的分區(qū)散熱，確保焊接效果和質(zhì)量。跳焊工藝順序如圖1所示。

圖1 跳焊工藝順序圖

3.4 氣管氣量調(diào)節(jié)

換熱管與管板之間的焊接點(diǎn)位密集，尺寸間距小，一般采用封閉氣罩方法進(jìn)行保護(hù)較難實(shí)現(xiàn)，通過(guò)方法工藝改進(jìn)，擴(kuò)大了氬氣出氣口噴嘴的直徑，以此增加氣體噴出影響范圍，在氬氣的保護(hù)下，減少空氣中混入氫氣、氮?dú)夂脱鯕獾葷舛龋苊怆s質(zhì)氣體對(duì)焊縫質(zhì)量造成影響。此外，在焊接作業(yè)時(shí)，焊槍前端應(yīng)盡量靠近焊接部位，縮短氣焰與管板焊縫之間的距離，同時(shí)，縮短鎢極伸出的噴管口長(zhǎng)度，避免焊接時(shí)伸出過(guò)長(zhǎng)遮擋作業(yè)人員觀察視線。

4 質(zhì)量查驗(yàn)方法

完成焊接工作后，要對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，通常采用查外觀和查著色兩種方法驗(yàn)證。其中查外觀是指檢查焊縫表面有無(wú)氣孔、熔邊是否貼合、是否呈魚鱗狀、有無(wú)裂縫和雜質(zhì)、焊縫厚薄是否均勻、有無(wú)咬邊等現(xiàn)象，焊縫盡量顯露金屬光澤、均勻貼合，方可視為合格質(zhì)量。著色檢查是對(duì)焊縫表面的顏色進(jìn)行查驗(yàn)，不同氣體參與焊接時(shí)冷卻后呈現(xiàn)的顏色也不相同，往往出現(xiàn)藍(lán)色、灰色和紫色等顏色時(shí)說(shuō)明摻雜有其他氣體，需要進(jìn)行補(bǔ)焊，一般補(bǔ)焊次數(shù)不得超過(guò)兩次，直到檢驗(yàn)合格為止。

5 結(jié)語(yǔ)

鈦材與管板焊接必須確保焊接外觀成型美觀，質(zhì)量可靠，通過(guò)對(duì)鈦材焊接工藝的摸索分析，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。