内孔焊技术在换热器制造中的应用

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1、内 孔 焊 技 术 在 换 热 器 制 造 中 的 应 用山 西 风 雷 机 械 制 造 有 限 责 任 公 司 (侯 马 市 043013) 黄 旭 升摘 要 用 内 孔 焊 结 构 代 替 传 统 的 端 面 焊 结 构 是 提 高 换 热 器 管 子 与 管 板 焊 接 接 头 抗 应 力 腐 蚀 和 缝 隙 腐 蚀 稳 定 性的 根 本 途 径 。 重 点 阐 述 了 内 孔 焊 的 接 头 形 式 、 焊 接 设 备 、 工 艺 装 备 、 焊 接 工 艺 参 数 以 及 具 体 实 施 过 程 中 应 注 意 的 问 题 。关 键 词 : 换 热 器 内 孔 焊 工 艺 装 备AP

2、PL ICAT IO N O F INNER - HOL E W ELD ING INHEAT EXCHANGER FABR ICAT IO NShanxi FengleiMachinery Manufacturing CO. , L td. Huang XushengAbstrct Substituting inner - hole welding construction for traditional end surface welding construction is a fundamen2tal method for raising the stabilities of anti

3、- stress corrosion and anti - slit corrosion. The joint design, welding equipment,fabrication equipment and welding parameters for inner - hole welding as well as difficulties which should be paid attentionto during the fabrication are mainly described.Key words: hea t exchanger, inner - hole weld i

4、ng, fabr ica tion equ ipm en t0 前 言在 化 工 、 石 油 、 医 药 、 原 子 能 和 核 工 业 中 ,换 热 器 的应 用 十 分 广 泛 ,其 类 型 与 结 构 也 很 多 。 其 中 管 壳 式 换热 器 是 最 普 遍 使 用 的 。 在 管 壳 式 换 热 器 的 设 计 、 制 造过 程 中 ,换 热 管 与 管 板 之 间 的 连 接 质 量 好 坏 决 定 了 换热 器 的 质 量 优 劣 和 使 用 寿 命 。 换 热 管 与 管 板 的 连 接 方法 主 要 有 胀 接 、 焊 接 和 胀 焊 并 用 。 常 规 焊 接 结 构 管

5、 子与 管 板 孔 之 间 存 在 间 隙 ,易 产 生 间 隙 腐 蚀 、 过 热 等 问题 ;焊 接 接 头 处 产 生 的 热 应 力 可 能 造 成 应 力 腐 蚀 和 破裂 。 胀 接 结 构 形 式 ,由 于 胀 接 变 形 存 在 较 大 的 残 余 应力 ,易 产 生 应 力 腐 蚀 ,而 且 在 使 用 温 度 较 高 时 ,由 于 材料 的 蠕 变 使 胀 接 残 余 应 力 松 驰 ,引 起 接 头 松 动 或 脱 落造 成 泄 漏 。 因 此 ,换 热 器 管 子 与 管 板 的 连 接 技 术 研 究一 直 是 国 内 外 技 术 人 员 关 注 的 焦 点 。硫 酸

6、 塔 系 统 是 某 公 司 生 产 中 乙 炔 气 精 制 的 主 要 系统 之 一 ,其 工 作 原 理 是 利 用 浓 硫 酸 的 强 氧 化 性 来 氧 化乙 炔 气 中 的 硫 化 氢 、 硫 化 磷 等 杂 质 达 到 净 化 的 目 的 。酸 冷 却 器 是 维 持 塔 内 物 料 温 度 的 关 键 换 热 器 。 换 热 管与 管 板 材 质 为 00Cr14N i17Mo2,换 热 管 规 格 为 25 mm 2 mm。 在 使 用 中 由 于 介 质 的 腐 蚀 性 ,多 次 造 成 管 板与 换 热 管 的 接 头 处 发 生 严 重 的 泄 漏 ,因 此 ,考 虑 选

7、 用 内孔 焊 结 构 ,以 避 免 间 隙 腐 蚀 造 成 的 失 效 。1 内 孔 焊 接 头 形 式从 各 种 文 献 资 料 可 知 ,内 孔 焊 接 头 形 式 有 两 类 :全对 接 和 准 对 接 。 但 从 焊 缝 质 量 控 制 要 求 出 发 ,全 对 接型 是 最 好 的 选 择 。 这 种 结 构 在 使 用 性 能 上 有 很 多 优点 :等 厚 对 接 连 接 承 载 能 力 高 ,应 力 集 中 小 ,抗 疲 劳 性能 好 ,抗 应 力 腐 蚀 能 力 强 ,接 头 质 量 高 ,确 保 接 头 更 安全 和 可 靠 ,有 效 保 证 设 备 的 稳 定 运 行

8、。 经 过 比 较 ,选 择了 如 图 1所 示 的 无 间 隙 全 位 置 结 构 形 式 。图 1 内 孔 焊 接 头 形 式64 焊 接 2006 (12)2 内 孔 焊 设 备 及 工 艺 装 备焊 接 设 备 是 实 现 全 位 置 自 动 TIG焊 的 关 键 所 在 。由 于 焊 缝 的 高 质 量 、 高 可 靠 性 要 求 ,对 焊 接 设 备 也 提 出了 很 高 的 要 求 ,因 此 ,采 用 了 EWA306电 源 和 适 合 于 无间 隙 管 板 全 位 置 自 动 TIG焊 的 专 用 内 孔 焊 枪 头 ,如 图 2所 示 。 内 孔 焊 机 的 工 作 原 理

9、如 图 3所 示 。图 2 EWA306电 源 和 内 孔 焊 枪 头程 控 电 源 包 括 焊 接 电 源 和 微 机 控 制 系 统 ,焊 接 枪头 由 调 节 机 构 、 送 丝 机 构 、 旋 转 机 构 和 特 殊 焊 炬 等 部 分组 成 。图 3 内 孔 焊 机 工 作 原 理2. 1 程 控 电 源它 主 要 是 为 焊 接 提 供 能 量 以 及 进 行 实 时 控 制 。EWA306电 源 是 采 用 德 国 EWM 公 司 原 装 高 性 能 逆 变电 源 模 块 制 造 的 新 型 的 智 能 化 的 IGBT逆 变 式 直 流 TIG焊 接 电 源 ,可 根 据 需

10、要 输 出 5 300 A的 直 流 或 脉 冲 电流 。 系 统 内 配 置 有 高 性 能 的 Multi - CPU系 统 ,响 应 速度 快 ,控 制 精 度 高 ,性 能 稳 定 ,焊 接 成 形 及 重 现 性 好 。同 时 具 有 完 整 的 故 障 检 测 和 处 理 机 制 ,多 点 自 动 检 测 ,最 大 程 度 保 护 人 身 和 设 备 安 全 以 及 焊 缝 质 量 。 微 机 控制 系 统 针 对 全 位 置 TIG焊 的 要 求 对 气 体 、 电 流 大 小 及方 式 、 旋 转 、 送 丝 和 弧 长 在 焊 接 过 程 中 进 行 编 程 和 过 程控 制

11、 。2. 2 焊 接 枪 头焊 接 枪 头 是 该 系 统 的 核 心 ,枪 头 用 平 衡 器 吊 于 龙门 架 上 ,它 由 定 位 、 特 殊 焊 炬 和 旋 转 系 统 组 成 。2. 3 氩 气 保 护 罩由 于 该 设 备 管 板 和 换 热 管 均 使 用 不 锈 钢 材 质 ,因此 ,进 行 内 孔 焊 时 , 应 在 焊 接 坡 口 外 侧 实 施 氩 气 保护 ,以 防 氧 化 和 氮 化 ,影 响 焊 缝 质 量 。 根 据 管 板 环 形圈 布 置 形 式 以 及 管 束 与 壳 体 的 制 造 和 组 装 特 点 ,经 过比 较 和 论 证 ,最 终 决 定 采 用

12、图 3所 示 的 氩 气 保 护 装 置 。为 便 于 装 配 和 拆 卸 ,该 氩 气 保 护 罩 制 成 哈 夫 结 构 ,使 其与 换 热 管 适 当 紧 配 合 ,避 免 氩 气 流 外 逸 ,保 护 不 足 。 设计 时 , 充 分 考 虑 了 保 护 罩 内 空 气 的 排 除 、 氩 气 的 流 向 以及 焊 缝 的 热 影 响 区 域 。 使 用 时 ,通 过 进 气 管 充 入 氩 气 ,将 保 护 罩 内 的 空 气 完 全 排 净 后 进 行 内 孔 焊 。2. 4 定 位 芯 轴为 了 确 保 装 配 时 换 热 管 与 管 板 孔 的 同 心 度 ,需 要设 计 一

13、个 专 门 的 定 位 芯 轴 (图 4) ,根 据 换 热 管 内 径 与管 板 孔 的 实 测 尺 寸 设 计 定 位 芯 轴 ,要 求 制 造 后 与 换 热管 内 径 与 管 板 孔 的 最 大 间 隙 不 超 过 0. 15 mm。 芯 轴 定 位后 ,用 TIG焊 不 加 丝 在 连 接 处 外 侧 对 称 地 定 位 焊 两 点 。图 4 定 位 芯 轴3 焊 接 工 艺 参 数 确 定 及 实 施3. 1 焊 接 程 序一 个 焊 接 接 头 的 焊 接 程 序 ,包 括 按 下 起 动 按 钮 ,提前 送 保 护 氩 气 ,然 后 送 出 高 频 、 起 弧 ,起 弧 后 ,

14、在 起 弧 点停 留 一 段 时 间 ,用 电 弧 预 热 焊 接 区 域 以 建 立 起 熔 池 ;继74焊 接 2006 (12)而 送 出 脉 冲 电 流 ,同 时 机 头 开 始 转 动 ,焊 接 一 周 后 电 流在 指 定 位 置 开 始 衰 减 ,一 定 时 间 后 ,电 弧 熄 灭 ,延 时 送气 特 定 时 间 后 ,机 头 停 止 转 动 等 ,这 些 程 序 可 以 按 照 预定 的 参 数 自 动 进 行 。 图 5所 示 为 焊 接 程 序 示 意 图 。图 5 焊 接 程 序 示 意 图图 中 各 个 符 号 的 含 义 是 : t01为 提 前 送 气 时 间 ,

15、 t02为滞 后 送 气 时 间 , t11为 预 熔 时 间 , I11为 预 熔 电 流 , t12为 峰值 时 间 , I12为 峰 值 电 流 , t13为 基 值 时 间 , I13为 基 值 电 流 ,N11为 焊 接 电 流 开 始 衰 减 位 置 , t14为 电 流 衰 减 时 间 , v21为旋 转 速 度 , U51为 电 弧 电 压 。3. 2 焊 接 工 艺 参 数 的 确 定焊 接 工 艺 评 定 是 产 品 制 造 过 程 中 焊 接 质 量 管 理 的一 个 重 要 环 节 ,是 编 制 产 品 焊 接 工 艺 文 件 的 依 据 。 根据 上 述 焊 接 工

16、艺 参 数 选 择 原 则 ,通 过 多 次 试 验 ,选 定 的焊 接 工 艺 参 数 见 表 1。将 上 述 焊 接 工 艺 参 数 输 入 到 焊 接 电 源 的 电 脑 控 制系 统 中 ,对 焊 接 试 件 进 行 施 焊 ,焊 后 对 接 头 进 行 了 着 色检 查 、 水 压 试 验 、 金 相 检 验 、 力 学 性 能 等 项 目 检 测 。 焊接 接 头 经 宏 观 金 相 观 察 未 发 现 有 任 何 缺 陷 。 加 工 了 两个 拉 伸 试 样 和 四 个 弯 曲 试 样 ,试 验 结 果 表 明 ,该 接 头 具有 足 够 的 强 度 和 塑 性 ,完 全 满 足 使 用 要 求 。表 1 内 孔 焊 接 工 艺 参 数提 前 送 气 时 间 / s 滞 后 送 气 时 间 / s 预 熔 时 间 / s 预 熔 电 流 /A 电 流 衰 减 位 置 / ( ) 电 流 衰 减 时 间 / s10 8 2. 5 8