引言

在石油、化工、冶金、電力等行業(yè)與熱相關的生產過程中，換熱器因長期在腐蝕環(huán)境下服役，換熱管管頭泄漏時常發(fā)生。據統(tǒng)計，90%的換熱器管頭泄漏是由于焊接質量問題造成的，焊接過程中出現(xiàn)的管頭氧化、熔合不良、強度不足、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程中的關鍵環(huán)節(jié)，封口焊工藝由此對封口焊的質量起著至關重要的影響。

由于鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學性能和工藝性能，被廣泛應用于國民經濟各個領域。特別是在化工生產中，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。這對于進一步提高企業(yè)生產率，改善質量，,增長設備壽命，降低耗能，減少生產能耗，節(jié)約材料成本，避免環(huán)境污染，改善職工勞動條件和增加企業(yè)勞動生產率等工作方面均具有非常重大的意義。所以，鈦合金換熱器的應用越來越廣泛，其中在厚壁換熱管大型鈦合金換熱器建造過程中的管板封焊難度大，是核心的工藝技術 [2] 。

鈦合金換熱器（鈦換熱器）中復合板管板與鈦合金換熱管封口焊在焊接過程中，常采用管板開坡口、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，但是在焊接的過程中，由于連續(xù)焊接多層焊接，溫度過高，容易使鈦合金氧化變色，空氣中的氧間隙固溶于鈦中，本文設計一種全新的鈦合金換熱管封口焊的保護裝置和焊接方法，能夠成功的解決了這一技術難題。

1、 傳統(tǒng)的鈦合金換熱器的封口焊保護裝置和焊接方法

目前復合板管板與鈦合金換熱管封口氬弧焊在焊接過程中，傳統(tǒng)的保護裝置為聯(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限接近封口焊處，距離較遠，保護效果較差，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，強度和硬度增加，塑性和韌性卻降低，從而嚴重影響焊接質量。

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裝置傳統(tǒng)的焊接方法是多層焊，每層由于間隔時間太短，容易使鈦合金超溫度，溫度過高，空氣中的氧和氮、氫容易進入鈦合金，鈦管的焊縫顏色容易發(fā)黑，從而帶來焊接質量的隱患。

所以，運用傳統(tǒng)的保護裝置和焊接方法都不是很理想，因此，需要創(chuàng)新保護裝置和焊接方法來實現(xiàn)鈦合金封口焊高質量的焊接。

2、 新的焊接保護裝置和方法

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

圖3 氣體保護裝置詳細圖

圖4 擋氣盤外觀裝置

如圖3所示：本裝置由進氣管、氣氛室、銅絲過濾網、旋轉擋氣盤、出氣孔裝置、定位橡膠圈組成：

2.1.1 設計的保護裝置的進氣管的功能主要是通純氬氣，連接氬氣瓶：進氣管必須保證足夠的流通面積，避免轉彎及截面突變；進氣管應充分考慮進氣管的動態(tài)效應（慣性效應和波動效應）以提高充氣效率，此外還要考慮進氣均勻性。所以進管的材質選擇了硬質塑料；

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

2.1.3 氬氣進來到達氣氛室后，要經過銅絲過濾網，氬氣經過銅絲過濾網長時間的過濾之后從保護裝置的出氣孔出來，進入旋轉擋氣盤底部：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；旋轉擋氣盤（如圖4）的功能是當氣流經過銅絲網后，便又得到了再次分配，這就改善了氬氣的流動狀態(tài)，最大限度的使氬氣停留在這個空間之內，在焊接時使得熔池金屬直接在氬氣平流層的保護下凝固成型，焊槍和氣體保護裝置在使用的過程中連成一體，以便于操作。

旋轉擋氣盤（如圖4）結構材質為不銹鋼，緊湊穩(wěn)固、設計合理；旋轉擋氣盤固定在保護裝置的最外面，與管板鈦合金復合層接觸的材質是橡膠圈；旋轉擋氣盤的長度按照管板的管子之間的間距而定，可以橫跨旁邊管子，橫在旁邊管子周圍，這樣保護氣體的范圍更大。

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型的基礎之上做了一個臺階面，臺階面的寬度設置在1mm，增加臺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，按如下方式實現(xiàn)：

圖5 常規(guī)封口焊

圖6 改進封口焊

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），以此類推直到把周圍換熱管封口焊的第一層全部焊完之后，才開始焊接第二層；

圖7 管板封口焊位置圖

第四步：開始第二層焊接，焊接的時候進行填絲焊接，一直焊到和那個臺階面平齊（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，以此類推直到把周圍換熱管封口焊的第二層全部焊完之后，才開始焊接第三層；第二層焊接的時候，采用直徑為φ1.2的氬弧焊焊絲進行填絲焊接，焊接電流為110A，電壓為12V，氬氣流量為10-12L/min。

第二層的時候，一手控制焊絲，根據熔池的變化情況，均勻的將焊絲送進，一手掌握焊槍，保持焊把的穩(wěn)定性和行進速度。焊接第二層的時候，將焊絲夾在拇指和食指直間，通過拇指向前移動，持續(xù)均勻的將焊絲送入熔池。

第五步：第三次蓋面焊接時采用填絲方式進行焊接，直到焊接完整個臺階面（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程中由于是分層焊接，層與層之間有時間差，層間溫度不會太高，從而保證了焊接的質量。

3、結語

3.1 傳統(tǒng)的保護裝置體積太大，拖罩的平面不能無限接近封口焊處，距離較遠，較小的罩子不能起到保護的作用，所以保護作用不佳。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裝置，能深入管子內部，從內部源源不斷的提供保護氣體，進行焊接時的全方位的保護，這種保護裝置不僅結構緊湊、安裝使用方便、節(jié)省氣體流量，是一種全新型的保護裝置。

3.2 創(chuàng)新后的焊接方法有以下優(yōu)勢：

3.2.1 V型加下沉式臺階相當于一個新型的，在管子管板領域具有創(chuàng)造性的新型坡口型式：V型坡口型式是為了焊接良好，加下沉式臺階有以下作用：1、可以增大焊接時焊槍的旋轉空間，封口焊機的機頭都比較緊密，能有寬的坡口面，對發(fā)揮焊接時的氣體保護的作用非常大。由于有效焊接面積增大，惰性氣體可以很好的鋪開，把電弧周圍的空氣隔絕開，保護好電極，從而杜絕空氣對焊接的影響。2、由于臺階面的面積大于V型坡口的面積，臺階面面層可以起到一層保護中間焊接層的作用；3、因為臺階面的面積大于V型坡口的 面積，也就是臺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，同時保證了焊接的緊密性和焊縫的強度、抗疲勞性，全面提高焊接質量。

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鍵，就是不能多也不能少。鋪到均勻的程度才可以達到增大熔深而不燒穿管子母材。2、鈦合金焊接時參數(shù)的選擇很關鍵，氣體的流量和配比，都在影響著焊接的質量。如果參數(shù)選用不當，會形成較多的熔池，并且熔池的溫度高，這會使得焊縫及熱影響區(qū)金屬在高溫停留的時間較大，晶粒長大傾向明顯，使得接頭塑性和韌性下降，導致產生焊接缺陷。3、分層、分時焊接是為了將焊接應力釋放，保持合理的層間溫度，將焊接資源最大調配，以最優(yōu)的方法和最短的時間，達到最優(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裝置，從氣體的保護裝置、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，使得焊接過程穩(wěn)步推進，并且在最短的時間來焊接得到最優(yōu)的結果，并且成本低，效率高，有應用的價值。

參考文獻

[1] 李永兵，馬運五，樓銘，等.輕量化薄壁結構點連接技術研究進展[J]．機械工程學報，2020，56(6)：125-146．

[2] 殷亞運,高瑞,羅皓,等．Gr.2 換熱管與管板的 TIG 封焊工藝研究[J]．熱加工工藝，2022，Vol.51,No.11

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