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钛制管板换热器的自动焊接技术 陈国余 陈春阳 庄杰 昆山华恒焊接设备技术有限公司 215301 摘要：本文结合钛制换热器的管板焊接特点，着重介绍该类换热器自动焊时需要解决的几个问题，即气体保护装置、送丝系统和水冷定位器，从而保证管板焊接质量。 关键词：钛及其合金 管板自动焊 保护 送丝 水冷定位 前言 钛及其合金由于其比强度高，早期大量地使用在航空、航天等尖端领域。然而随着石油、化工行业近些年的飞速发展，由于钛及其合金优越的耐蚀性能，在氧化性、中性及氯离子介质中，其耐蚀性能均优于不锈钢，甚至超过1Cr18Ni9Ti不锈钢的十倍，年腐蚀裕度非常小，因而钛及其合金现在越来越受到该行业的青睐，被广泛制造成复合板、反应釜、分离塔或各类换热器等。该行业由于使用了钛制设备，大大降低了维修及更换设备次数，从而节约了时间和生产成本。本文结合钛制换热器的管板焊接特点，着重介绍该类换热器自动TIG焊时需要解决的几个问题，从而保证焊接质量。 钛制管板换热器结构和连接方式 目前钛制管板换热器结构基本采用以下方式： 管平头：管口伸出管板端面0～1mm 连接方式根据产品设计要求有以下两种方式： 胀接加密封自熔焊 加丝强度焊 钛及其合金管板焊接特点 钛制管板换热器常采用材料为工业纯钛TA1、TA2和钛合金TC4，其化学成分和力学性能分别见表1和表2 表1 钛及其合金化学成分（%） 合金牌号 化学成分组 主要成分 杂质 Ti Al V Fe Si C N H O TA1 工业纯钛 其余 0.15 0.10 0.05 0.03 0.015 0.15 TA2 工业纯钛 其余 0.30 0.15 0.10 0.05 0.015 0.20 TC4 Ti-6Al-4V 其余 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.30 0.15 0.10 0.05 0.015 0.20 表2 钛及其合金力学性能 合金牌号 名义成分 热处理状态 抗拉强度 MPa 延伸率 % 冷弯角度 TA1 工业纯钛 退火 340-490 30 130 TA2 工业纯钛 退火 440-590 25 90 TC4 Ti-6Al-4V 退火 900 10 30 钛由于液态金属流动性好，表面张力大，因而焊接时焊缝成型非常均匀、美观，但由于钛是一种活泼金属，高温下钛与氧、氢、氮反应速度较快，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，因而焊接钛及其合金时，重点要保护300℃以上的区域，在钨极氩弧焊时，仅仅依靠喷嘴保护是不够的，要辅以拖罩局部或整体保护方式，否则会造成焊缝吸氧、吸氢、吸氮，从而导致焊缝塑性下降，脆化程度加重。钛制管板换热器的焊接保护是否正确或合适，可通过焊缝及热影响区的颜色来检验，见表3 表3 钛制管板焊缝及热影响区的表面颜色 焊缝 热影响区 银白、淡黄 深黄 金紫 深兰 银白、淡黄 深黄 金紫 深兰 允许 不允许 不允许 不允许 允许 不允许 不允许 不允许 此外，钛及其合金只要焊前进行严格的清理工作，选择合适的焊接填充材料（焊丝）和99.99%Ar作保护气，气孔和裂纹等缺陷是可以避免的。综上所述，钛制管板焊接重点要解决保护问题。 另外，钛制管板换热器的焊接相对碳钢、不锈钢的管板焊还需解决送丝稳定性和水冷定位问题。 焊接设备 钛制管板自动TIG焊设备包括管焊电源和管焊枪头两部分。 管焊电源采用EWA406程控TIG焊电源。它编程界面非常简单易学、实用；响应精度高；可对焊接过程中气体、电流、焊速、送丝速度等进行编程控制；焊接过程中电流、速度等还可根据情况分区间使用。 管焊枪头和其它形式的管焊枪头结构类似，只是在气体保护、送丝和水冷定位上稍作改动，从而满足钛制换热器的焊接要求。 3．1气体保护装置 除了焊炬的喷嘴保护外，我们采用整体保护方式，即整个焊接过程在一密闭透明气罩中进行。密闭气罩保护装置示意图见图1，调整环内径尺寸根据换热管外径尺寸和管桥尺寸而定，例如：管外径φ25mm，管桥7mm，那么调整环内径应做成φ30mm比较合适。该尺寸不宜过大或过小，过大，气体易从别的管口跑掉，造成罩内空气排不干净，从而焊接时污染焊缝；过小，虽然保护好了，但是电弧会熔化其边缘，此外会影响焊枪角度调整，不易操作。 图1 密闭气罩保护装置 3．2送丝系统 送丝系统除动力外，主要由送丝轮、送丝管、送丝嘴组成。钛管板焊接用的焊丝根据管和板的材料来选择，一般选择同质焊丝。对于TC4材料，由于其强度较高，φ0.8的焊丝和碳钢一样有刚度，焊丝不宜变形且容易送；而工业纯钛TA2，为了使焊缝得到更好的耐蚀及力学性能，焊丝中含氧量和含碳量会进一步降低，从而造成焊丝很软，给送丝稳定带来