T2銅管與T2銅鋼復合板脹焊的焊接質量控制

隴忠云 李東濤 袁耀剛 陳景愛

摘? 要：文章講述了T2銅管與T2銅鋼復合板脹焊過程關鍵控制點。針對管殼式換熱器管板脹焊連接結構，提出了關鍵控制要求，并從脹接結構密封原理、焊前清理、焊接間隙和環境影響、設備的調整方面重點提出控制要求和措施。

關鍵詞：脹焊;T2銅管和銅鋼復合板;管殼式換熱器;脹焊焊接質量控制

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0102-02

Abstract： This paper describes the key control points in the expansion welding process of T2 copper tubes and T2 copper-steel composite plates. Aiming at the expansion welding connection structure of the tube and shell heat exchanger， key control requirements are put forward， and the control requirements and measures are mainly put forward from the aspects of sealing principle of expansion structure， cleaning before welding， welding gap and environmental impact， and adjustment of equipment.

Keywords： expansion welding; T2 copper tube and copper-steel composite plate; tube and shell heat exchanger; quality control of expansion welding

引言

高容量中央空調的兩個組件，即水冷水和水源熱泵單元，通常是殼管式熱交換器。具有優異的導熱性和耐腐蝕性的銅熱交換管優選用于制冷系統的管殼式熱交換器。在制冷工業中，銅管和管板之間的連接主要是機械膨脹。然而，為了滿足諸如船舶和核能等苛刻的領域，既需要高密封性能，強大的振動或疲勞載荷，又需要防止縫隙腐蝕[1]。因此，膨脹焊接和連接結構是管道和管板之間的主流連接。本文所闡述的主要為復合管板與T2管子的脹焊連接：T2管子與T2+鋼的復合板脹焊，銅管與復合管板的連接采用先焊后脹的方式。其脹焊結構形式如下圖1所示。為了獲得良好的脹焊接頭，保證空調機組的運行質量，需對銅管的脹焊過程進行嚴格控制。以下就自動脈沖氬氟焊脹焊過程關鍵控制點進行簡介，供同行參考。

1 焊前清潔度控制

焊接前清理：換熱器管子與管板焊接時， 焊前的清理工作至關重要，施焊過程中發現，一旦管子管板內有銹蝕、油污、水分或其他臟物存在，就極易形成皮下氣孔。大多數的氣孔開口較大、深度深，給修補帶來一定的難度。

對策：焊接前，管板可進行脫脂清洗，徹底清除，表面油污、雜質。清洗后用壓縮空氣吹掃，用白色無紡布擦拭，白色無紡布無變色為合格。

2 焊接間隙控制

T2紫銅具有優良的在20°C時，導熱系數和導熱系數是鐵的7倍，在1000°C時導熱系數和導熱系數是鐵的11倍。但是，由于其高導熱性，如果銅焊接工藝與低碳鋼焊接工藝相似，熱量將迅速移出加熱區域。較大的間隙使熔池中的金屬在結晶過程中更易于破裂，缺乏熔融且滲透率較低。同時還有可能導致前端脹接區母材氧化、影響脹接質量，故換熱器管子管板采用焊接+強度脹的密封結構，對焊接間隙的控制非常重要。

對策：采用貼脹的方式減小或消除管子與管板的間隙，調節脹管器長度，貼脹脹管器長度為非焊接面保留管板厚度減3mm，減薄率控制2%左右， 為防止脹接過程脹管潤滑油污染管孔，選用無粘稠度的脹接揮發油進行貼脹。

3 焊接環境、設備調整、氣體流量、鎢針磨削等控制

焊接環境的風速過大，焊接過程中會損失保護氣體，從而減少了保護氣體的流量，使電弧不穩定，容易與空氣混合并失去保護作用，導致焊縫表面變黑或失去金屬光澤。有時會燒壞鎢電極，影響正常焊接。在同一焊接過程中，調整和偏移鎢針的角度，或者在沒有氣體保護的情況下排出氣體，在爆炸過程中會濺出焊池的金屬，并且鎢電極會燃燒，從而影響焊接。但是，如果保護氣體的流量過大，則氣體壓力沖擊的排斥作用會干擾保護空氣的流動，并且保護氣體不能形成層流，因此不能獲得良好的保護效果。所以焊接環境、氣體流量及設備調整至關重要，必須嚴格控制，以下是生產中取得的幾點經驗參數供同行參考。

3.1 焊接環境

（1）焊接區風速小于1m/s。

（2）不允許風扇吹焊接區域，手感有風或焊縫出現氣孔時，需停止焊接，查找原因。

3.2 設備調整

（1）調整焊槍鎢極位置，使焊接電弧位于管板與換熱管交界處。

（2）鎢極有燒損應及時更換。

3.3 保護氣更換

（1）焊接保護氣流量計必須豎直向上。

（2）保護氣壓力小于1.0MPa時，必須立即更換。

3.4 鎢針磨削與更換

磨削鎢極時不能使用磨削的紋路呈螺旋狀，應該是延母線方向;磨削的角度a需根據焊接電流大小而改變;鎢極尖端應根據焊接電流的大小不同磨出一個直徑d為0.2-0.8的平臺。鎢針磨削要求，當鎢針尖端燒損、有母材殘留時，必須及時更換，焊接過程中，觀察鎢針情況，至多焊接5個管孔時，須觀察1次。

4 脹焊順序

如果傳熱管與管板之間的連接采用膨脹焊接結構，則膨脹焊接的順序對焊接質量有很大的影響。經驗表明，焊接溫度場在首先擴展然后焊接時會影響擴展區域。在作用下，它將導致擴展區松弛。根據國家標準151-1999“管殼式換熱器”，保留15mm的非擴展區域，以減少焊接和擴展的影響。但是，由于焊縫在15mm處閉合，加熱后該空間中的灰塵和氣體會迅速膨脹，并且沒有平滑的排放路徑，因此當氣壓達到一定極限時，會爆炸性地排放到熔池中。這會在焊縫中形成一個通孔，由于缺乏壓力，焊縫中會殘留一些殘留物，從而形成皮下孔[2]。爆炸期間，焊池中的金屬經常會飛濺，導致鎢電極燒壞并影響焊接。相反，如果先焊接然后擴展，則發生上述現象的可能性非常低。據統計，前者毛孔的可能性是后者的40-60倍。另外，先膨脹后焊接的管的應力分布在焊接后更為復雜，但是在焊接前膨脹時，焊接應力相對穩定。為了確保熱交換器的整體質量，即使考慮減少焊縫的孔隙率和焊接接頭的應力狀態，也應首先進行膨脹焊接和結構化管材和管板的焊接。

5 焊后脹接長度調整（見圖4）

6 銅管與管板的脹接原理

銅管與管板脹接后，銅管發生塑性變形，管板孔產生微量回彈，而在銅管與管孔內壁貼合處形成接觸面間的殘余應力。脹接接頭直接影響這中央空調機組的使用和壽命，有效脹接長度決定拉脫力大小直接反映其承受溫差及壓差應力能力，其接觸面間的貼合程度直接決定其密封性能[3]。本文所述的脹接長度以管板厚度為基準，管板厚度兩端各減3mm， 脹管器的調整。因管板前端已焊接，焊縫受外力擠壓會導致焊縫開裂影響焊縫質量，同時焊縫成形不規則、不水平，脹接時影響整個脹接面受力均勻性，故脹接時前端減3mm只為避開焊縫;可選用帶槽脹管器脹接，管板后端減3mm是為避免出現過脹，管孔端部與銅管相切，損傷銅管。

7 結束語

生產實踐證明，T2銅管與T2銅鋼復合板的焊接，采用鎢極氬-氦混合氣體保護焊，焊前清潔度和焊接間隙的控制， 都是換熱器管子管板焊接的重要工藝參數， 它們直接影響著焊接質量。焊接環境、設備調整、氣體流量、鎢針磨削是影響焊縫的直接因素，不及時調整、形成點檢，焊接過程將造成批量性焊接異常，甚至導致焊縫無法返修、機組報廢，造成巨大經濟損失。對于膨脹和焊接的熱交換器，膨脹和焊接的順序對焊接接頭的質量有重大影響。焊后膨脹不僅減少了焊接缺陷的發生，而且還確保了焊接接頭具有良好的應力分布[4]。使用本文提出的控制方法和工藝措施，可以保證膨脹焊接結構熱交換器的質量，并滿足管殼式熱交換器的安全性和長期使用要求。

參考文獻：

[1]孫景榮.脹焊結構換熱器焊接質量的控制[J].機械工人，2001（1）：49-50.

[2]周俊河.T2銅管與20#管板脹接拉脫力試驗研究[J].家電科技，2010，000（006）：76-77.

[3]周艷彬.T2銅管與Q345R管板脹接試驗研究[J].廣東化工，2009，36（005）：199-200.

[4]王記兵，徐大鹿，孟多南，等.紫銅管板脹焊工藝研究[J].中國化工裝備，2018，020（006）：3-5.