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      淺談鈦材換熱器的管板焊接

      2014-07-09 03:01:26鄧紅娟李新明
      化工裝備技術(shù) 2014年2期
      關(guān)鍵詞:鈦材施焊氬弧焊

      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?;顫姷慕饘伲叵履芘c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.

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