引言

在石油、化工、冶金、電力等行業與熱相關的生產過程中，換熱器因長期在腐蝕環境下服役，換熱管管頭泄漏時常發生。據統計，90%的換熱器管頭泄漏是由于焊接質量問題造成的，焊接過程中出現的管頭氧化、熔合不良、強度不足、焊縫不連續、最小泄漏通道尺寸不足、管頭燒爛、焊接氣孔等均可能誘發管頭泄漏 [1] 。所以管板與換熱管的封口焊是換熱器的制造過程中的關鍵環節，封口焊工藝由此對封口焊的質量起著至關重要的影響。

由于鈦合金具有優良的耐腐蝕性能、力學性能和工藝性能，被廣泛應用于國民經濟各個領域。特別是在化工生產中，用鈦合金代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對于進一步提高企業生產率，改善質量，,增長設備壽命，降低耗能，減少生產能耗，節約材料成本，避免環境污染，改善職工勞動條件和增加企業勞動生產率等工作方面均具有非常重大的意義。所以，鈦合金換熱器的應用越來越廣泛，其中在厚壁換熱管大型鈦合金換熱器建造過程中的管板封焊難度大，是核心的工藝技術 [2] 。

鈦合金換熱器（鈦換熱器）中復合板管板與鈦合金換熱管封口焊在焊接過程中，常采用管板開坡口、換熱管伸出管板表面或與管板表面齊平的接頭形式，目前最常用的坡口形式為V型坡口，但是在焊接的過程中，由于連續焊接多層焊接，溫度過高，容易使鈦合金氧化變色，空氣中的氧間隙固溶于鈦中，本文設計一種全新的鈦合金換熱管封口焊的保護裝置和焊接方法，能夠成功的解決了這一技術難題。

1、 傳統的鈦合金換熱器的封口焊保護裝置和焊接方法

目前復合板管板與鈦合金換熱管封口氬弧焊在焊接過程中，傳統的保護裝置為聯接于焊槍上的拖罩（圖1），其體積太大，不僅使用不便，且拖罩的平面不能無限接近封口焊處，距離較遠，保護效果較差，容易使鈦合金氧化變色，空氣中的氧間隙固溶于鈦中，使得鈦晶格畸變，變形抗力增加，強度和硬度增加，塑性和韌性卻降低，從而嚴重影響焊接質量。

圖1 拖罩示意圖

圖2 換熱管和坡口示意圖

朱劭瑜等 鈦合金換熱器的封口焊焊接方法及保護裝置傳統的焊接方法是多層焊，每層由于間隔時間太短，容易使鈦合金超溫度，溫度過高，空氣中的氧和氮、氫容易進入鈦合金，鈦管的焊縫顏色容易發黑，從而帶來焊接質量的隱患。

所以，運用傳統的保護裝置和焊接方法都不是很理想，因此，需要創新保護裝置和焊接方法來實現鈦合金封口焊高質量的焊接。

2、 新的焊接保護裝置和方法

2.1 氣體保護裝置的創新：考慮到傳統的保護裝置體積太大，拖罩的平面不能無限接近封口焊處，距離較遠，較小的罩子不能起到保護的作用，所以保護作用不佳，考慮將保護氣體從外送入管子內部，然后讓保護氣體從里面源源不斷的出來保護施焊的空間和部位，從而阻止空氣進入封口焊時的焊接熔池。因此，創新設計了一種氣體保護裝置，如下圖所示：

圖3 氣體保護裝置詳細圖

圖4 擋氣盤外觀裝置

如圖3所示：本裝置由進氣管、氣氛室、銅絲過濾網、旋轉擋氣盤、出氣孔裝置、定位橡膠圈組成：

2.1.1 設計的保護裝置的進氣管的功能主要是通純氬氣，連接氬氣瓶：進氣管必須保證足夠的流通面積，避免轉彎及截面突變；進氣管應充分考慮進氣管的動態效應（慣性效應和波動效應）以提高充氣效率，此外還要考慮進氣均勻性。所以進管的材質選擇了硬質塑料；

2.1.2 氬氣由進氣管進來之后，到達底部氣氛室進行沉淀：氣氛室選用不銹鋼材質，為了和換熱管接觸不氧化換熱管；氣氛室是一個用于容納氣體的空間，它最核心的要點是密封性能良好。它采用不銹鋼鈑金，包括一個圓鋼加工成帶底部的筒體，還包括一個上面密封氣氛室的蓋板，蓋板和筒體通過螺紋連接；氣氛室上方的蓋板與氣氛室最上方左右兩側的安裝塊連接，安裝塊上有連接孔；氣氛室中間有個下沉氣體管，它的功能是將氣體均勻的沉積在氣氛室底部，經上方噴出得到均勻分布和緩沖；

2.1.3 氬氣進來到達氣氛室后，要經過銅絲過濾網，氬氣經過銅絲過濾網長時間的過濾之后從保護裝置的出氣孔出來，進入旋轉擋氣盤底部：出氣孔裝置中的出氣板間距分布盡量均勻，以保證出氣平緩；旋轉擋氣盤（如圖4）的功能是當氣流經過銅絲網后，便又得到了再次分配，這就改善了氬氣的流動狀態，最大限度的使氬氣停留在這個空間之內，在焊接時使得熔池金屬直接在氬氣平流層的保護下凝固成型，焊槍和氣體保護裝置在使用的過程中連成一體，以便于操作。

旋轉擋氣盤（如圖4）結構材質為不銹鋼，緊湊穩固、設計合理；旋轉擋氣盤固定在保護裝置的最外面，與管板鈦合金復合層接觸的材質是橡膠圈；旋轉擋氣盤的長度按照管板的管子之間的間距而定，可以橫跨旁邊管子，橫在旁邊管子周圍，這樣保護氣體的范圍更大。

2.1.4 如圖3，此裝置有橡膠定位，隨插隨用，裝卸方便。

2.2 焊接方法的創新：

傳統的焊接方法是多層焊，焊接坡口如（圖5）所示，每層由于間隔時間太短，容易使鈦合金超溫度，所以我們重新創新了焊接方法。

具體方法如下：

（1）坡口形式作了新的改變，（如圖6），坡口在原有的V型的基礎之上做了一個臺階面，臺階面的寬度設置在1mm，增加臺階面的目的是為了焊接最后一層，能更好的覆蓋中間層，起到保護的作用。

（2）焊前清理：將清洗劑倒在干凈的布上，擦拭管板和換熱板的坡口，坡口表面不得有油污、鐵銹等。

（3）焊接：常規的焊接方法是用連續多層焊接完成，按如下方式實現：

圖5 常規封口焊

圖6 改進封口焊

第一步：先在所有的換熱管封口焊里面均勻撒上少許鈦合金焊接活性劑，焊接活性劑不僅使氣孔明顯減少，而且熔深成倍增加。

第二步：把焊槍靠近封口焊坡口，開始第一層打底氬弧焊焊接不填絲，電流100A，電壓12V，空熔焊一圈，以保證后面的焊接質量；氬弧焊工作前要放鎢極，目前鎢極有好多種，這里我們選用鑭鎢電極，它的引弧更容易，電弧穩定性能更好。

第三步：然后不再焊接第二層，直接焊接鈦合金煥熱管相鄰位置封口焊的第一層（圖7），以此類推直到把周圍換熱管封口焊的第一層全部焊完之后，才開始焊接第二層；

圖7 管板封口焊位置圖

第四步：開始第二層焊接，焊接的時候進行填絲焊接，一直焊到和那個臺階面平齊（圖6）；然后不再焊接第三層，直接焊接鈦合金煥熱管相鄰位置封口焊的第二層，以此類推直到把周圍換熱管封口焊的第二層全部焊完之后，才開始焊接第三層；第二層焊接的時候，采用直徑為φ1.2的氬弧焊焊絲進行填絲焊接，焊接電流為110A，電壓為12V，氬氣流量為10-12L/min。

第二層的時候，一手控制焊絲，根據熔池的變化情況，均勻的將焊絲送進，一手掌握焊槍，保持焊把的穩定性和行進速度。焊接第二層的時候，將焊絲夾在拇指和食指直間，通過拇指向前移動，持續均勻的將焊絲送入熔池。

第五步：第三次蓋面焊接時采用填絲方式進行焊接，直到焊接完整個臺階面（圖6中c、d）為止。其中焊接電流為110A，電壓為12V，氬氣流量為10-12L/min。

此焊接方法是在焊接過程中由于是分層焊接，層與層之間有時間差，層間溫度不會太高，從而保證了焊接的質量。

3、結語

3.1 傳統的保護裝置體積太大，拖罩的平面不能無限接近封口焊處，距離較遠，較小的罩子不能起到保護的作用，所以保護作用不佳。上述提供的這種新式鈦合金換熱管與管板的封口焊的保護裝置，能深入管子內部，從內部源源不斷的提供保護氣體，進行焊接時的全方位的保護，這種保護裝置不僅結構緊湊、安裝使用方便、節省氣體流量，是一種全新型的保護裝置。

3.2 創新后的焊接方法有以下優勢：

3.2.1 V型加下沉式臺階相當于一個新型的，在管子管板領域具有創造性的新型坡口型式：V型坡口型式是為了焊接良好，加下沉式臺階有以下作用：1、可以增大焊接時焊槍的旋轉空間，封口焊機的機頭都比較緊密，能有寬的坡口面，對發揮焊接時的氣體保護的作用非常大。由于有效焊接面積增大，惰性氣體可以很好的鋪開，把電弧周圍的空氣隔絕開，保護好電極，從而杜絕空氣對焊接的影響。2、由于臺階面的面積大于V型坡口的面積，臺階面面層可以起到一層保護中間焊接層的作用；3、因為臺階面的面積大于V型坡口的 面積，也就是臺階面的熔覆金屬量大于V型坡口的熔覆金屬量，可以起到耐沖刷的作用，同時保證了焊接的緊密性和焊縫的強度、抗疲勞性，全面提高焊接質量。

3.2.2 三層焊接中，打低焊加中間層焊接，再到蓋面焊接。1、打低焊接時加活性劑的作用是為了增大焊接的熔深，而鋪活性劑的量很關鍵，就是不能多也不能少。鋪到均勻的程度才可以達到增大熔深而不燒穿管子母材。2、鈦合金焊接時參數的選擇很關鍵，氣體的流量和配比，都在影響著焊接的質量。如果參數選用不當，會形成較多的熔池，并且熔池的溫度高，這會使得焊縫及熱影響區金屬在高溫停留的時間較大，晶粒長大傾向明顯，使得接頭塑性和韌性下降，導致產生焊接缺陷。3、分層、分時焊接是為了將焊接應力釋放，保持合理的層間溫度，將焊接資源最大調配，以最優的方法和最短的時間，達到最優的焊接效果。

綜上，鈦合金換熱器的封口焊焊接方法及保護裝置，從氣體的保護裝置、坡口型式，焊接的參數選擇，鎢極的選擇等，從這一系列方法中創造性的提煉出一種新型方法，使得焊接過程穩步推進，并且在最短的時間來焊接得到最優的結果，并且成本低，效率高，有應用的價值。

參考文獻

[1] 李永兵，馬運五，樓銘，等.輕量化薄壁結構點連接技術研究進展[J]．機械工程學報，2020，56(6)：125-146．

[2] 殷亞運,高瑞,羅皓,等．Gr.2 換熱管與管板的 TIG 封焊工藝研究[J]．熱加工工藝，2022，Vol.51,No.11

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