王俊恒,李錫偉,唐興全,向 強,蔣雪梅

(四川科新機電股份有限公司，四川什邡 618400)

0 引言

TA2因密度小、耐腐蝕性好、抗氯離子環(huán)境腐蝕優(yōu)于不銹鋼，被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電鍍、海水淡化、航天等領(lǐng)域[1]。其中，熱交換器是重要的熱力設(shè)備[2-3]，熱交換器的關(guān)鍵技術(shù)是換熱管與管板的焊接，因而被國內(nèi)外技術(shù)工作者廣泛地研究[4]。

某公司為60萬噸/年乙二醇項目制造了一臺重點換熱器設(shè)備，換熱器中換熱管與管板的焊接為產(chǎn)品制造過程中重要的工序，如焊接不良，易產(chǎn)生焊接接頭脆化，降低其耐蝕性，縮短設(shè)備的使用壽命，因此，換熱管與管板焊接質(zhì)量是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于焊接工作量大，重復(fù)焊接性高，為保證焊接的穩(wěn)定性，采用TIG自動焊進(jìn)行焊接。該產(chǎn)品管板材料為TA2+S31603，規(guī)格為δ=6+60 mm，直徑?1 330 mm；換熱管材料為TA2，規(guī)格為?38 mm×2 mm，共計468支，圖1為其焊接接頭和布管示意。在焊接過程中，如果尾部氣體保護不良，暴露于空氣中，換熱管與管板焊縫及近縫區(qū)母材出現(xiàn)高溫下吸收氫、氧、氮等氣體，出現(xiàn)變色，降低耐蝕性。本產(chǎn)品管板直徑較大、壁厚較薄，換熱管數(shù)量多，換熱管與管板焊后因焊接應(yīng)力分布不均勻等特點，管板易產(chǎn)生焊接變形[5-6]，因此有必要對TA2換熱管與管板TIG自動焊的有效焊接保護和薄壁管板焊接結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行深入地分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

(a)

(b)圖1 TA2換熱管與管板焊接接頭和布管示意Fig.1 Schematic diagram of welding joint between TA2 heat exchange tube and tubesheet and tube layout

1 TA2的焊接性分析

鈦具有活性強、熔點高、熱導(dǎo)率低、彈性模量小、熱容量大等特點[7]，焊接時要嚴(yán)格控制熱輸入，一般宜用小電流、快速焊。根據(jù)本產(chǎn)品圖樣要求，換熱管與管板至少焊接2層：第1層自熔焊，確保焊縫根部熔透，其脈沖焊接電流平均值約145 A，焊接速度約25 cm/min，焊接熱輸入較小，焊接質(zhì)量容易控制；第2層填絲焊，確保填充焊縫厚度，其脈沖焊接電流平均值約150 A，焊接速度約20 cm/min，焊接熱輸入較大，在連續(xù)焊接中，一般的尾部氣體保護工裝達(dá)不到有效保護，焊接接頭易出現(xiàn)高溫氧化問題；為此，針對采購的尾部氣體保護工裝保護不佳的情況，提出重新設(shè)計和制作尾部氣體保護工裝。

1.1 焊縫保護不良易引起脆化

TA2焊接時，隨著溫度的升高，在高溫下焊縫及近縫區(qū)母材極易吸收氫、氧、氮等氣體雜質(zhì)，使接頭受到污染變脆，或產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷[8-11]。如果液態(tài)熔池和熔滴金屬得不到有效保護，則更容易受空氣等雜質(zhì)的污染，脆化程度更嚴(yán)重[12]。所以液態(tài)熔池和接頭高溫區(qū)需要用惰性氣體進(jìn)行保護，惰性氣體一般采用一級氬氣(99.99%)作為保護氣。

在進(jìn)行鎢極氬弧焊接時，宜采用較大的氣罩和拖罩，應(yīng)提前送氣和滯后停氣，以便將熔池及附近溫度高于300 ℃以上的母材最大限度地屏蔽在保護氣流之中，焊接過程中及焊接結(jié)束后，始終保證焊絲的熔化端在氬氣的保護范圍之內(nèi)。

1.2 焊接氣孔和裂紋

焊絲和坡口表面的清潔度是影響氣孔的主要因素，如：焊絲在拉絲時黏附在焊絲表面的潤滑劑、打磨時殘留在坡口表面的磨粒、清洗時乙醇從橡膠手套溶解的增塑劑以及擦拭坡口時的殘留物等都會引起氣孔。

常溫時，碳在α鈦中的溶解度為0.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，碳以間隙形式固溶于α鈦中，碳含量超過溶解度時，生成硬而脆的TiC，呈網(wǎng)狀分布，易引起裂紋。GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》規(guī)定，鈦及其合金中w(C)不得超過0.1%，焊接時，焊件及焊絲上的油污能使焊縫增碳，因此焊前應(yīng)注意清理。

2 換熱管與管板的焊接難點分析及解決措施

對于TA2換熱管與管板的焊接，多層多道焊工藝是該公司首次應(yīng)用，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗。在施工中，為有效解決焊接過程中的清潔問題、在連續(xù)施焊中高溫區(qū)的有效保護問題，以及如何控制換熱管與管板陣列式密集焊縫的焊接變形問題，需要進(jìn)行深入地分析和提出相應(yīng)的控制措施。

2.1 TA2焊接的清潔控制

換熱管與管板焊接時，為了確保其焊接接頭的焊接質(zhì)量，整個焊接過程中對焊接接頭表面清潔度控制要求非常嚴(yán)格,因此，提出了以下控制措施。

2.1.1 施焊環(huán)境的要求

TA2應(yīng)在空氣潔凈、無煙塵的環(huán)境下施焊，尤其要與鋼鐵作業(yè)區(qū)隔離，因此，指定了專用場地，必須在公司核二級潔凈區(qū)中進(jìn)行焊接。

2.1.2 焊接人員的要求

(1)根據(jù)TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》的規(guī)定，對焊工進(jìn)行了理論培訓(xùn)、操作培訓(xùn)與考試，并取得了換熱管與管板TIG自動焊的資質(zhì)后，方可進(jìn)行產(chǎn)品焊接。

(2)施焊前對操作者的要求：應(yīng)穿戴整潔的工作服，戴鹿皮手套，穿干凈的鞋套；禁止赤手觸摸工件，以及制作過程中工件防護，不能碰傷工件。

2.1.3 焊前清理及組對

(1)管板加工好，用液態(tài)脫脂劑或其他方法將油污等雜物清洗干凈，用熱空氣烘干水分，用透明薄膜保護潔凈后的管板。

(2)焊接前，指定專人經(jīng)培訓(xùn)后，去掉管端毛刺，并倒磨圓角，再用酒精清洗換熱管與管板待焊處及焊絲表面的油污等。

(3)組對前和組對后，應(yīng)對坡口形狀及尺寸、表面清潔度進(jìn)行檢查。

(4)定位焊，點固焊之前，用氬氣管吹掃換熱管與管板坡口表面2～3次以上，并保持一段時間，以去除換熱管與管板坡口表面及間隙中的有害氣體，確保點固焊的焊接質(zhì)量。

(5)焊接前，換熱管與管板需要進(jìn)行定位脹，以排除坡口根部間隙，防止焊縫根部燒穿。

2.1.4 焊接過程

(1)每次正式焊接產(chǎn)品之前，應(yīng)在模擬試件上試焊一個焊接接頭，以驗證焊接電源和氣體流量是否正常工作，確保每個焊接接頭的焊接質(zhì)量。

(2)層間清理，由于尾部氣體保護工裝保護良好，沒有產(chǎn)生焊接氧化皮，故采用酒精清洗待焊面，以確保無氧化皮和油脂污染。

2.1.5 焊后檢查

換熱管與管板焊接后，檢驗員通過100%VT和100%PT逐根逐層檢測每個焊接接頭的外觀質(zhì)量和顏色情況，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，焊接接頭顏色合格，均為銀白色。

2.2 焊接接頭在高溫區(qū)的有效防護

在技術(shù)策劃時，咨詢焊接設(shè)備廠家，采購了焊接設(shè)備廠家的大型號焊槍噴嘴和尾部氣體保護工裝，圖2(a)為采購的工裝結(jié)構(gòu)示意，用采購的尾部氣體保護工裝進(jìn)行了焊接試驗，在試焊過程中，發(fā)現(xiàn)打底層自熔焊時，換熱管與管板焊接接頭出現(xiàn)輕微氧化，使焊接接頭顏色呈淡黃色；在第2層填絲焊時，換熱管與管板焊接接頭出現(xiàn)了保護效果不佳的情況，使換熱管端部、鈦焊縫及近縫區(qū)母材顏色呈藍(lán)色和紫色，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的顏色要求，圖2(b)為采購的工裝試焊接頭。為此，分析了采購的工裝保護效果不佳的原因，提出了改進(jìn)措施，并自行設(shè)計和制作尾部氣體保護工裝。

圖2 采購的工裝結(jié)構(gòu)及試焊接頭示意Fig.2 Schematic diagram of the purchased tooling structure and test welding joint

(1)工裝在高溫區(qū)防護時間不足。

由于采購的工裝過于簡單，沒有足夠時間將焊接接頭在高溫區(qū)屏蔽于氣流的保護之中，當(dāng)TIG自動焊在連續(xù)焊接時，尤其是在填絲焊過程中，沒有將焊接接頭在高溫區(qū)屏蔽保護冷卻到300 ℃以下，出現(xiàn)高溫區(qū)保護效果不佳的情況，使焊接接頭顏色呈藍(lán)色和紫色。因此，在設(shè)計尾部氣體保護工裝時，需要考慮加大工裝在高溫區(qū)的防護范圍和防護時間。改進(jìn)的工裝采用了防護長度約為2/3換熱管弧長的設(shè)計，有效防護時間達(dá)到20 s以上，確保了換熱管與管板焊接接頭從高溫區(qū)冷卻到300 ℃以下不被氧化的防護要求，使焊接接頭顏色為銀白色。

(2)焊槍氣流和工裝氣流出現(xiàn)紊流。

由于采購的工裝與焊槍噴嘴相似，兩個圓形的氣流如調(diào)節(jié)不良，易產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣混入保護區(qū)，從而使換熱管與管板焊接接頭在高溫區(qū)變色。因此，在設(shè)計尾部氣體保護工裝時，采用了與TIG自動焊槍頭實配的兩個弧形結(jié)構(gòu)的設(shè)計，即與焊槍噴嘴實配的第一弧結(jié)構(gòu)設(shè)計，與定心桿實配的第二弧結(jié)構(gòu)的設(shè)計，改進(jìn)后的工裝結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。這兩個弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計，使工裝氣流保護無死區(qū)，保護效果最大化，并且使工裝氣流直接噴射到被保護區(qū)域(換熱管內(nèi)部和端部同時也得到有效保護)；與此同時，也考慮了工裝氣流量應(yīng)略低于焊槍噴嘴氣流量，避免因工裝氣流大于焊槍噴嘴氣流而出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。

圖3 改進(jìn)后的工裝結(jié)構(gòu)示意及產(chǎn)品接頭焊接效果Fig.3 Structural diagram of improved tooling and welding effect of the product joint

(3)尾部氣體保護工裝的尺寸設(shè)計。

由于采購的工裝是圓筒式的，與焊槍噴嘴配合不好，氣流不易對準(zhǔn)被保護區(qū)域，保護范圍和保護時間有限。因此，在設(shè)計尾部氣體保護工裝時，考慮了與換熱管焊道一致的弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計，使防護長度約為2/3換熱管弧長，在連續(xù)作業(yè)的過程中，達(dá)到想要的保護效果。另外，換熱管與管板的伸出高度應(yīng)基本保持一致，工裝底部離換熱管端部應(yīng)保持8～10 mm距離，否則TIG自動焊在連續(xù)焊接中會影響保護效果，故在設(shè)計時，需與焊接機頭實配來確定工裝定位尺寸和尾部位置尺寸，以及工裝的高度尺寸。

(4)尾部氣體保護工裝氣流的均勻性設(shè)計。

由于采購的工裝通道采用直管道式加濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，空氣置換和鎮(zhèn)靜效果不理想，因此在設(shè)計尾部氣體保護工裝時，考慮了通氣管延伸至工裝內(nèi)部，并等間距排列若干個孔，開孔方向朝向工裝殼體頂部，氣流通過工裝殼體頂部折射返回向下，徹底排出工裝內(nèi)空氣，再增加2～3層的濾網(wǎng)，增加2個鎮(zhèn)靜室，確保較大氣流下仍為層流，達(dá)到了良好的保護和冷卻效果。

通過以上改進(jìn)措施，設(shè)計和制作出尾部氣體保護工裝，在第1層自熔焊和第2層填絲焊焊接時，有效防止焊接接頭在高溫區(qū)的氧化問題，并進(jìn)行工藝試驗和工藝評定，完全符合設(shè)計圖樣和標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接接頭顏色均為銀白色。產(chǎn)品焊接后的接頭效果，如圖3(b)所示。

2.3 換熱管與管板陣列式密集焊縫的焊接變形控制

換熱管與管板在施焊時，管板在局部熱量集中的熱源作用下，溫度場和應(yīng)力場分布很不均勻，管板焊后易產(chǎn)生焊接變形。如果不采取控制措施，根據(jù)以往的經(jīng)驗，像本產(chǎn)品的換熱管與管板焊后表面不平度可達(dá)20多毫米，為此，采用以下控制措施。

(1)采用增強剛度的措施，將管板面選取一定數(shù)量的換熱管，換熱管沿同心圓方向的關(guān)鍵點進(jìn)行定位、加強固定焊接(如圖4所示)，加強管板的剛度，減小管板的焊接變形。

(2)采用分區(qū)對稱焊的措施，如圖5(a)所示。本產(chǎn)品管板焊接面在?1 300 mm左右，分為6個區(qū)域?qū)ΨQ施焊，即1區(qū)→4區(qū)、2區(qū)→5區(qū)、3區(qū)→6區(qū)的焊接順序，從管板中心向管板邊緣對稱焊接。1區(qū)每焊接一個換熱管接頭后，對稱 4區(qū)焊接一個換熱管接頭；2區(qū)和5區(qū)、3區(qū)和 6區(qū)也采用這種方式進(jìn)行焊接，直至打底層焊縫完成整個管板。第2層焊縫也采用打底層焊縫的分區(qū)對稱焊的措施，直至蓋面層焊縫完成整個管板。

(3)采用跳焊的措施，減小焊接換熱管的非均勻溫度場疊加和應(yīng)力分布不均勻引起的管板焊接變形，即確保每一個換熱管接頭初始溫度場是一致的，如圖5(b)所示。1區(qū)焊接一個換熱管接頭①，對稱在4區(qū)焊接一個換熱管接頭②;同理,焊接1區(qū)換熱管接頭③和焊接4區(qū)換熱管接頭④，直至1排隔孔跳焊換熱管接頭焊接完成,此時應(yīng)注意非均勻溫度場疊加，隔孔隔排焊接完成后，再焊接未焊排和跳焊孔的順序，直至一層焊接完成。如此循環(huán)，焊接第2層焊縫，最終使管板面控制在2 mm以內(nèi)，幾乎沒有變形，達(dá)到設(shè)計圖樣要求。

圖4 管板加強固定焊接示意Fig.4 Schematic diagram of fixed welding for tubesheet reinforcement

圖5 管板面分區(qū)與局部放大跳焊示意

3 檢驗結(jié)果

3.1 換熱管與管板打底層焊縫檢驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計圖樣和GB/T 151—2014《熱交換器》的要求，對換熱管與管板打底層焊縫進(jìn)行了目視檢測，結(jié)果合格；表面顏色為銀白色，滿足JB/T 4745—2002標(biāo)準(zhǔn)要求；同時對打底層焊縫進(jìn)行了0.3 MPa氣密試驗，沒有發(fā)現(xiàn)泄漏點。

3.2 換熱管與管板焊接接頭檢驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計圖樣和GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接完畢后，對換熱管與管板蓋面層焊縫進(jìn)行了目視檢測，結(jié)果合格；表面顏色為銀白色，滿足JB/T 4745—2002標(biāo)準(zhǔn)要求；同時對殼程進(jìn)行了1.39 MPa臥式水壓試驗，殼程水壓試驗合格后，又對殼程進(jìn)行氦檢漏試驗，管程進(jìn)行了0.755 MPa水壓臥式試驗；以上水壓試驗和氦檢漏試驗均未發(fā)生換熱管接頭泄漏情況，同時對設(shè)備模擬試件進(jìn)行了宏觀金相檢測，完全達(dá)到設(shè)計圖樣和GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。圖6示出模擬試件宏觀檢查情況。

圖6 模擬試件宏觀檢查情況Fig.6 Macroscopic metallographic examination of the simulated specimen

3.3 換熱管與管板焊接接頭分析

通過焊接過程中的清潔控制，對比改進(jìn)設(shè)計和制作尾部氣體保護工裝，對TA2換熱管與管板接頭在施焊中高溫區(qū)的有效防護，以及換熱管與管板焊接變形在施工中的有效控制，使換熱管與管板焊接接頭完全達(dá)到設(shè)計圖樣和標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)通過制定生產(chǎn)過程中的清潔控制措施，有效防止了焊接接頭受到污染變脆和耐蝕性下降的問題。

(2)通過對比設(shè)計和自制尾部氣體保護工裝，解決了TIG自動焊在施焊中高溫區(qū)間的有效防護問題。

(3)通過采用增強剛度、分區(qū)對稱焊、跳焊的措施，有效控制了換熱管與管板的焊接變形問題。

通過以上手段，成功解決了TA2換熱管與管板TIG自動焊的焊接技術(shù)難點。焊接完畢后，焊接接頭表面顏色均為銀白色，通過100%VT檢測、100%PT檢測、氣密試驗、水壓試驗和氦檢漏試驗，沒有發(fā)現(xiàn)換熱管與管板焊接接頭發(fā)生泄漏的情況；同時，對模擬試件進(jìn)行了宏觀金相檢查，均符合設(shè)計圖樣和GB/T 151—2014的標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。該臺產(chǎn)品的成功制作，基本掌握了TA2換熱管與管板陣列式密集焊縫TIG自動焊的焊接技術(shù)，使接頭表面顏色均為銀白色，并對同類鈦制換熱器采用TIG自動焊的焊接技術(shù)，有很好的借鑒價值和指導(dǎo)意義。