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鈦制管板换热器的自动焊接技术
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
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