熱管是一種高效的傳熱元件，利用全封閉真空管內部工質的連續相變來完成熱量的持續轉移，具有很高的導熱性和良好的等溫性。利用熱管作為換熱元件的熱管式換熱器，其換熱效率可以達到 98%，體積只是普通換熱器的 1 /3，應用前景廣闊。鈦合金具有比強度高、無磁、焊接性好、耐海水腐蝕等特點，是一種非常適合海洋環境使用的材料。采用鈦合金材料制造熱管式換熱器，可以同時發揮熱管的高效換熱及鈦制換熱器的小型化、輕量化和耐腐蝕，在艦艇高戰技化發展趨勢下具有突出研究價值和應用前景。 

對于常規的管殼式換熱器，換熱管伸出管板外表面距離小，有很成熟的焊接工藝對管板與換熱管進行連接，如脹接、焊接或脹焊并用等。對于熱管式換熱器，首先無法采用脹接進行連接。若采用焊接連接，由于熱管蒸發端和冷凝端要伸 出管板外一定長度，傳統焊接工藝方法需要相鄰熱管之間具有足夠的施焊空間，這勢必會降低熱管的分布密度。此外，即便有足夠的施焊空間， 由于熱管良好的散熱性，采用常規焊接工藝直接焊接熱管與管板，焊接時也容易出現各種問題， 如未熔合、燒穿、氧化、裂紋等，容易造成報廢。可拆式結構在熱管式換熱器領域應用廣泛，但是這種結構形式不能承受過大壓差，一般用于氣態流體換熱，且容易出現密封件在高溫、腐蝕等惡劣環境下長期服役后失效的現象而導致滲漏，可靠性與焊接結構相比較低。對于在承受較大內外壓差( 10 MPa 以上) 的深海環境下服役的鈦制熱管式換熱器，熱管與管板的可靠連接是研制此類特種換熱器的核心難點，尚未見相關公開報道。 

本研究設計了一種針對鈦制熱管式換熱器的熱管與管板連接工藝，可以顯著降低熱管排管間距，提高排管密度，進而提高換熱性能，同時連接接頭具有足夠的強度和氣/水密性，能承受較大的內外壓差，連接工藝可操作性及可重復性強，為高性能鈦制熱管式換熱器的研制奠定了關鍵工藝基礎。

1、接頭設計

接頭設計總體思路為首先在熱管管殼上預裝一段套管( 制備成熱管前) ，采用脈沖 TIG 焊工藝焊接熱管管殼與套管間角焊縫，然后再進行熱管制備，在完成單個熱管元件制備后，裝配熱管套管組件進管板孔內，采用真空電子束焊接技術焊接套管與管板間環形對接焊縫。這種接頭連接形式克服了直接焊接熱管時可能產生的諸多不利影響，同時熱管可以排布得很緊密，因為電子束焊接時發射電子束流的電子槍離待焊區有一定距離，通常遠大于熱管伸出管板的長度。此外，由于電子束焊接是在真空環境下進行焊接， 從根本上杜絕了鈦合金焊接時發生氧化及產生焊接氣孔的可能。接頭設計示意圖如圖 1 所示。

圖 1 接頭設計示意圖

2、接頭制備

2.1 套管制備 

套管的材質及高度與管板相同，套管內徑比 熱管外徑大 0.2 ～ 0.4 mm，套管的壁厚應比套管與熱管間角焊縫焊腳高度大 2 ～ 3 mm。套管裝入管板孔內后，要求套管周向與管孔裝配間隙不大 于 0.1 mm，套管上、下表面與管板上、下表面錯邊要求不大于 0.1 mm。

2.2 套管與熱管管殼裝焊 

在熱管的管殼特定位置( 由換熱器設計結構尺寸決定) 安裝套管，隨后采用脈沖 TIG 焊接工藝焊接套管與熱管間角焊縫，填充焊絲材質由具體的待焊熱管管殼材質和管板材質決定，要求角焊縫焊腳高為待焊熱管壁厚的 1 ～ 1.5 倍。焊接 工藝參數見表 1。焊槍和管殼內部保護氣均采用 99.99%純度的氬氣，流量 10 ～ 20 L /min。

表 1 TIG 焊接工藝參數

2.3 熱管套管組件與管板裝配 完成套管與熱管管殼裝焊后，先按熱管本身的制備工藝完成單個熱管制備及檢測。隨后將熱管套管組件裝入管板孔內，套管上、下表面與管板上、下表面齊平。裝配到位后采用 TIG 焊進行點焊固定。管板上孔的直徑大小按滿足套管周向外表面與管孔內表面配合間隙不大于 0. 1 mm 要求加工制備。相鄰管板孔中心距在不考慮結構強度情況下最小可比管孔直徑大 4～6 mm。裝配前對裝配區按 CB 1216—2012 中有關要求進行機械清理和化學清理，去除鈦合金表面氧化膜和油污。清理區域為待焊區及其周圍 25 mm 范圍。

2.4 熱管套管組件與管板焊接 

套管與管板之間采用真空電子束自熔焊接。通過工藝試驗，每個套管與管板間環焊縫分三道次焊接可以獲得較好的焊縫成型和焊接接頭質 量。第一道次進行定位焊，第二道次進行固定焊，第三道次進行修飾焊。工藝參數的制定應滿足焊后熔深不小于熱管壁厚的 2 倍為宜，從而保證足夠的承載能力，優化的焊接工藝參數見表 2。對于固定焊和修飾焊，從起弧開始至焊接 1 /4 圓周，電子束流由 0 mA 逐漸增加至表中規定的電子束流范圍，然后用該電子束流繼續焊接一圈， 最后電子束流再在 1 /4 圓周內逐漸衰減至0 mA。

表 2 電子束焊接工藝參數

3、接頭質量檢測

3.1 焊縫外觀 采用上述工藝制備的一個熱管與管板連接試件如圖 2 所示。其中管板和套管材料牌號 TA24，換熱管牌號 Ti31，換熱管規格 Φ15 mm × 1.25 mm，管孔中心距為 28 mm，分布為正三角形。TIG 焊用填充焊絲牌號 TA24－1，規格 Φ2.0 mm。電子束焊接為自熔焊，無填充焊材。從圖 2 可見 TIG 焊及電子束焊縫成型均勻美觀，顏色呈銀白色，無裂紋、氣孔、咬邊、未熔合、燒穿等缺陷，表明焊接工藝規范制定得當。

圖 2 焊接樣件

3.2 焊縫無損檢測 

對 TIG 焊和電子束焊縫按 NB /T 47013.5— 2015 標準進行滲透檢測，結果表明，焊縫質量達到標準 I 級。

3.3 焊縫低倍金相檢測 根據 GB /T 6417.1—2005 標準，觀察焊縫低倍組織，未見裂紋、孔穴、夾雜、未熔合等缺陷，低倍金相如圖 3 所示。經測量，電子束焊縫熔深為 3.2 ～ 3.4 mm。 

3.4 水壓試驗 

制作水壓試驗工裝，對一側焊接接頭進行了 13.5 MPa 水壓試驗，保壓 30 min，試驗件無肉眼可見變形、異響，焊縫無滲漏，表明設計的接頭形式及相應的焊接工藝規范獲得的接頭具有足夠的承壓能力，水壓試驗合格。

圖 3 接頭橫截面形貌

3.5 拉脫試驗

 為了考察焊接接頭的強度，任選 3 個管孔行整體線切割，然后加工連接螺紋，保證加工螺紋不影響到電子束對接縫。用設計的專用拉斷工裝組成拉伸試驗件，見圖 4( a) 。在標準的管拉伸試驗機上進行了 3 件拉脫試樣的軸向拉伸。結果表明，所有試驗件斷裂位置全部位于遠離焊接區的管材上，抗拉強度分別為 759 MPa、759 MPa、761 MPa，超過 Ti31 管材抗拉強度下限要求值，表明焊接接頭強度不低于管材本身。拉斷后實物如圖 4( b) 所示。

圖 4 拉脫試驗

4、結論

( 1) 在熱管和管板之間增加過渡套管，并采用 TIG 焊焊接熱管與套管角焊縫，采用真空電子束焊焊接套管與管板，可以實現承受較大內外壓差的鈦制熱管式換熱器的熱管與管板的可靠連接。

( 2) 制備的樣件焊接接頭外觀、無損檢測、低倍金相檢測可以滿足行業相關標準規范，可以承受 13.5 MPa 水壓試驗，拉脫試驗時斷裂位于遠離焊縫的原始管材上。