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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TiAlVFeSiCNHOTA1工业纯钛其余0.150.100.050.030.0150.15TA2工业纯钛其余0.300.150.100.050.0150.20TC4Ti-6Al-4V其余5.5-
6.83.5-
4.50.300.150.100.050.0150.20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340-49030130TA2工业纯钛退火440-5902590TC4Ti-6Al-4V退火9001030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，给送丝稳定带来了非常大的困难。一方面焊丝经送丝轮挤压会变形，另一方面前面一有阻力，焊丝在送给过程中容易折断。我们根据钛合金焊接送丝特点，一方面增大焊丝直径，改为φ1.0，增加丝的刚性；另一方面改变送丝轮结构和送丝管、送丝嘴尺寸，防止挤压变形和降低送丝阻力。送丝轮由单凹形改成