淺談鈦材換熱器的管板焊接

鄧紅娟 李新明

（三門峽化工機械有限公司）（三門峽高新機械有限公司）

0 引言

鈦材不僅具有較好的塑性、韌性，也具有較好的耐腐蝕性能，因而在石油化工、海洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在氧化性、中性及含氯離子的介質(zhì)中，鈦的耐腐蝕性能均優(yōu)于普通不銹鋼和鋁等。但鈦材的焊接性能不好，焊接時極易產(chǎn)生氧化、氮化和脆化等缺陷。本文介紹了一臺鈦材換熱器的制造過程。根據(jù)鈦材的焊接特性，在焊接過程中有針對性地采取合理的保護措施，制定合適的焊接工藝，嚴格把好各個施工環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)，從而保證了鈦材的焊接質(zhì)量。

三門峽化工機械有限公司為青海項目制造的一級換熱器 （技術(shù)參數(shù)見表1）是一臺鈦材換熱器。該換熱器的換熱管和管板材料及規(guī)格分別為：換熱管材料 TA2，規(guī)格 ?45 mm×1.5 mm；管板材料Q345R+TA2，規(guī)格δ=65+6 mm。換熱器的管頭伸出長度2.5 mm，坡口2.5×45°，換熱管與管板連接方式為強度焊。

1 鈦的焊接性能

鈦是一種非常活潑的金屬，常溫下能與氧生成致密的氧化膜而具有高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。但隨著溫度的升高，鈦與許多氣體有很強的親和力。鈦加熱到300℃時開始吸氫；400℃時開始吸氧；500℃時開始吸氮；600℃時氧化、氮化均很劇烈，

表1 一級換熱器技術(shù)參數(shù)

并使焊接接頭的塑性和韌性下降，還會引起氣孔和裂紋等缺陷；1000℃時碳可與鈦反應(yīng)［2］。氧和氮對鈦污染的結(jié)果使鈦強度和硬度增高而塑性降低。溫度越高，時間越長，氧化、氮化也越嚴重，造成焊接接頭的塑性急劇下降。由于熔化焊接過程中，熔池像一個小冶金爐，熔融金屬暴露在大氣中，空氣中含有大量氧和氮，所以焊接鈦時必須在真空或惰性氣體保護下焊接，以防止空氣對焊縫金屬及熱影響區(qū)污染。通常，選用手工鎢極氬弧焊進行鈦材的焊接。

2 焊接工藝

2.1 焊前準備

（1） 施工環(huán)境

為焊接專門劃分了一塊鈦材設(shè)備制造區(qū)，以確保焊接環(huán)境清潔。焊接區(qū)域遠離通風口和敞開的門窗處，且工作場地鋪設(shè)橡膠板。

（2） 焊工資格

施焊焊工必須經(jīng)過TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細則》培訓(xùn)并取得相應(yīng)的資格。施焊時焊工必須穿戴潔凈的白工作服和潔凈的手套［4］。

（3）焊接所用的材料及設(shè)備

① 保護氣體。保護氣體一般使用一級氬氣，純度不低于99.99%，露點在-60℃以下，雜質(zhì)總含量小于0.02%，相對濕度小于0.001 mg/L。須用環(huán)氧基或乙烯基塑料軟管輸送保護氣體［2-5］。

②填充金屬。為了使焊縫金屬具有與母材金屬近似的成分和抗腐蝕性能，應(yīng)采用與母材成分相同的焊絲，焊絲型號為STA2R，焊絲直徑1.2 mm。焊前焊工應(yīng)認真清理焊絲，去除拉絲時附著的潤滑劑，確保焊絲表面清潔。

③焊接設(shè)備。焊機選用帶高頻引弧和電流衰減裝置且性能穩(wěn)定的手工直流鎢極氬弧焊機，焊機型號WS-300。

④焊槍型號QQ-65/70。

2.2 焊接

(1)焊前清理

焊前清理對焊接質(zhì)量影響很大。材料表面的氧化皮、油污及富集氣體的金屬層等，在焊接過程中易產(chǎn)生氣孔和非金屬夾雜，使焊接接頭塑性、抗腐蝕性能降低，因此焊接清除工作必須做得徹底。

一般用機械法清理。先用丙酮去油污，再用砂紙除去焊縫及其兩側(cè)的氧化層，直到露出銀白色金屬光澤為止。然后用新的綢布蘸無水酒精將表面擦拭干凈，直到綢布上沒有污染為止。加工及清洗完畢的管口嚴禁用手觸摸。暫時不焊的管口須用塑料薄膜覆蓋，以防污染。

施焊前仍須逐個將焊接坡口及焊絲用無水酒精擦拭干凈，清理后應(yīng)立即施焊，否則應(yīng)重新清理。

（2）焊接時操作要領(lǐng)

① 焊前預(yù)先送氣30～50 s，而后再進行焊接。焊接完畢后要滯后停氣，直到焊接區(qū)溫度降低到250℃以下。

②選用低線能量施焊。在保證焊縫成形良好的前提下，焊接時盡量選用低線能量。多道焊時，應(yīng)在前道焊縫冷卻后才焊下一道，保證層間溫度不超過50℃，以防過熱。

③由于管中的空氣容易卷入電弧，影響保護效果，我們采用氣塞來改善。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小，熔點較高，焊接時容易出現(xiàn)熱量集中，高溫停留時間長，冷卻速度慢，從而導(dǎo)致融合區(qū)晶粒粗大，降低接頭綜合性能。因此氣塞材質(zhì)優(yōu)先選用導(dǎo)熱性能較好的銅。管板焊接用氣塞結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

圖1 管板焊接用氣塞結(jié)構(gòu)

由于換熱器上焊接接頭分布較多、較密集，同時在相鄰管內(nèi)放入與換熱管內(nèi)徑相仿的銅棒，增加傳熱效果，降低200℃以上的停留時間，以便更好地起到保護和散熱作用。待焊縫冷卻到50℃以下（即可用手觸摸）再以同樣的方法繼續(xù)焊下一管頭。

為了防止高溫變形并有好的散熱效果，焊接過程中注意要采用Z形跳焊法 （見圖2），即從中心向四周發(fā)射狀進行施焊，避免相鄰管頭之間連續(xù)焊［3］。這主要是因為鈦的導(dǎo)熱性差，焊接時產(chǎn)生的熱量不易散去，若在一個區(qū)域內(nèi)連續(xù)焊接，會造成該區(qū)域熱量集中，影響焊接后冷卻效果，嚴重時還會導(dǎo)致?lián)Q熱器變形。因此合理的分散焊接能避免上述情況的發(fā)生，保證換熱器質(zhì)量。

圖2 Z形跳焊法

④由于換熱管密集，管橋尺寸小，采用密封氣罩的保護方式難以實現(xiàn)。因此我們采取增大氬氣噴嘴直徑的方法來增大氬氣保護范圍，以降低外來氣體氫氣、氧氣、氮氣等對焊縫質(zhì)量的影響。由于采用了較大口徑的噴嘴，因此噴嘴與工件的距離應(yīng)適當縮小以加強保護，鎢極伸出噴嘴的長度宜短些（8～12 mm），以不妨礙觀察到熔池為限，且勿隨意擺動焊槍。

⑤手工鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

3 焊接質(zhì)量檢查

焊接接頭的檢查方法分為兩種：外觀檢查和著色檢查。外觀檢查主要觀察焊縫表面的狀況及焊接接頭的顏色，并根據(jù)表面顏色來判定氣體的保護效果，如表3所示［6］。焊縫表面應(yīng)均勻、美觀、呈魚鱗狀，不允許有裂紋、氣孔、未熔合、焊偏、管翻邊等缺陷。

表2 手工鎢極氬弧焊工藝參數(shù)

表3 表面顏色與氣體的保護效果關(guān)系

焊縫表面不允許出現(xiàn)藍色、紫色、灰色等顏色。對于局部表面顏色不合格的焊縫，必須用砂輪將其全部磨去，然后重新施焊。補焊次數(shù)不能超過兩次。焊縫外觀檢查合格后再進行著色檢查。著色檢查應(yīng)符合 JB/T 4730.5—2005 標準，Ⅰ級為合格［3］。

4 結(jié)語

迄今為止，我公司已制造了多臺鈦換熱器，用戶反映使用狀況良好，從而也驗證了此方法的可行性。事實證明，鈦材焊接只要選用正確的焊接方法，采用有效的保護措施，做好焊前清理工作，選用合適的焊接工藝參數(shù)，就會使鈦材的焊接質(zhì)量得到保證。

［1］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊 （第2卷：材料的焊接）[M].第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］JB/T 4745—2002.鈦制焊接容器 ［S］.

［3］浙江省火電建設(shè)公司.鈦材管板焊接技術(shù)規(guī)程 ［S］.1989.

［4］苗剛，陳晶，張慧芳，等.鈦制熱交換器管板自動焊工裝改進 ［J］.石油化工設(shè)備，2013（1）：64-67.

［5］鄒力維，高磊，張瑩瑩，等.鈦管板自動焊接工藝［J］.焊接， 2007 （9）： 48-50.

［6］阮鑫，王成君.鈦材的焊接工藝及技術(shù)要點 ［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2003,24（6）：43-46.

［7］ 周建海.鈦材的焊接操作技法 ［J］.河南化工，2002（2）： 32-46.