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新工艺：管壳式热交换器小管径管板接头免填充内孔焊技术

发布于：2023-03-31 14:33:31 来自：暖通空调/制冷技术 [复制转发]

间壁式的管壳式热交换器存在两个腔体，主要依靠换热管与管板之间的焊接接头（管接头）、法兰间的垫片来保证两腔的强制密封。在设计和制造过程中，管接头的质量直接影响换热器的安全、质量和使用寿命，因此，本文我们将介绍一种管壳式热交换器小管径管板接头免填充内孔焊技术。

（示意图，不对应文中任何具体产品）

1 内孔焊管板结构

内孔焊接接头属于对接焊结构，且不填丝，利用结构自身的熔化金属作为熔敷金属，即焊缝形成需要定位台、凸环与换热管金属熔合在一起。 焊缝要成型完整，且不存在缺陷，需要定位台定位准确；

应力释放槽深度和底部圆角过度合适；
凸环厚度需要选择合适，并与焊接工艺参数配合，最好完全融入焊接接头；
换热管端部应平整，且无毛刺。

整体接头需要进行机械加工，精度要求高。

定位台、应力释放槽不宜太深，否则对管板强度削弱严重，定位台深 1.5mm，应力释放槽深 4.5mm。

凸环厚度有要求。

因焊机输入热量有限，若过厚，其不能完全融入焊缝，底部与换热管存在未熔合，换热器运行过程会产生振动，焊缝与母材存在强度差，是局部裂纹和管接头失效的根源，存在隐患；若过薄，机械加工不易成型，而且在搬运过程中易破坏，严重时，管板整体报废，凸环厚度 0.5mm。

应力释放槽宽度不宜太宽，受刀具尺寸限制，以便加工，宽度4mm；底部必须为圆角，若为直角，焊接完成后，与换热管形成局部悬臂梁，根部应力集中，易形成裂纹，甚至断裂，导致设备管、壳程两腔泄漏。

管板孔结构在试验阶段时，凸环的厚度一致影响焊接质量。分别选择了 0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm 厚度的凸环进行焊接性能试验，经过筛选，0.5mm 和 0.8mm 厚的凸环在焊接过程中既起到垫板的作用，又可以完全融入焊缝，形成完整的对接结构焊缝。

2 焊接参数

一个焊接接头的焊接程序：

焊接前焊接接头内外同时提前送气，形成气体保护氛围。然后送出高频电流预熔、起弧，须在起弧点停留一段时间，用电弧对焊接区域进行预热以便建立起熔池，随后送出脉冲电流，机头转动进行连续焊接。

焊接完一周后，电流在指定位置衰减，一定时间后，电弧熄灭。但是保护氩气需要持续送气，直到机头停止转动。以上参数均可在焊机电源电脑上进行设置，实现自动作业。根据管板内孔焊管孔结构，通过反复试验，确定焊接工艺参数。

焊接后，对焊接接头进行 PT 检测，水压试验，微观金相分析，力学性能检验，晶间腐蚀试验等项目的检测验证。焊前制作拉伸试样，金相检测试样，弯曲试样，试验结果显示，焊接接头具有足够的机械强度和抗硝酸晶间腐蚀（C 法）性能，可以满足使用要求。

表 1 所列参数是针对焊接结构型式和具体结构尺寸制定的，具有确定性，结构改变，参数可以通过试验微调确定。

3 内孔焊背保护工装

管接头焊接时，焊机焊枪从管程侧管孔伸入，在壳程侧成型。管孔内侧焊缝有焊枪内置结构喷出氩气进行保护，外侧无保护，需要设置焊缝外保护装置，防止焊接过程的氧化腐蚀，保持耐氯离子和沸腾酸腐蚀。

下夹具与上夹具是工装的主体，二者通过阶梯口组装，防止径向窜动。下夹具与滑轨通过螺纹连接。滑轨上设置滑块，滑块与定位螺栓、L型压杆通过螺纹连接。滑块与L型压杆通过螺纹连接。上夹具与L型压杆通过螺纹连接。上夹具上设置通气孔，接高纯氩气软管。下夹具与上夹具组装于焊接件上，与焊接件外壁形成气体流道，在其端部开一定数量的半圆豁口，形成流动的保护气流。

滑轨、滑块、定位螺栓、L 型压杆与上夹具一起形成联动机构，实现装拆、滑动、定位、锁紧等功能，并与下夹具形成有机的腔体，实现高温下焊缝的背面保护。下夹具与上夹具用材为紫铜，利用其良好的传热功能，不锈钢焊缝需要实现快速冷却，工装可以满足导热要求。该工装在使用时，从换热管外侧，即大空间侧穿入管间，下调上夹具，并紧固定位螺栓，沿换热管轴向穿入应力释放槽，完成装配，此时可通入高纯氩，提前营造保护氛围。

4 焊接过程细节控制

焊接前，换热管内孔焊端必须进行机械加工，保证端面平整，且无毛刺。管板加工时，顺序尤为重要，先钻通孔，接着加工应力释放槽，最后加工定位台，凸环自然成型，这样做可以避免凸环加工中的机械损坏。用清洗剂清洗管板和换热管对接端，去除油污和灰尘，并应保持清洁，且不可带入新的污染，采用无纺布擦拭。焊接顺序为，从管板下侧向上逐排逐根焊接，过程中尚需观察管板焊接变形情况，及时加固、矫形，防止局部变形影响后续焊接工作。焊接操作时，选用专用内孔焊设备，并配电源；普通氩弧焊机；背部保护工装等。

焊接时，先调整焊枪钨极径向高度，焊枪芯轴沿管孔中心伸入，钨极外端高度距焊枪芯轴下端面16.8mm为宜，且钨极轴向须露出定位台0.5mm。管板通孔直径Φ23±0.1mm，换热管内径Φ23mm，换热管与定位台之间形成 1.5mm 凸起结构，作为熔敷金属，凸起位于换热管侧，焊接时需要更多的热量输入。

若轴向偏向定位台，焊缝熔敷金属将不足。焊机操作人员须用游标卡尺准确定位。后端操作人员将换热管推入管板定位台，并转动，保证贴合，焊机操作人员用内窥镜观察换热管与定位台缝隙，间隙越小越好。然后，安装背部保护工装，通入高纯氩气。焊枪伸入管孔，定位后，点击电源开关，进行自动焊接。焊枪停止转动后，背部保护工装滞后 6S 后拆除，焊接完成。

焊接完成后，用内窥镜目视观察焊缝表面，然后逐根进行水压试验，检测管接头焊接质量。若焊接时出现烧穿换热管现象，尚有补救措施。焊接时，设备边预备氩弧焊机，在烧穿位置进行氩弧焊补焊。这个过程必须立即进行，否则后续换热管焊接完成，无空间进行操作。

完成后，该换热管除了进行水压试验外，还须进行氨渗漏检测，确保焊接质量。惰性保护气体须采用高纯氩气，纯度为 99.999%。氩气流速需要控制，流速过大，在焊缝周围形成负压，抽进空气，焊缝容易氧化；若流速过小，氩气浓度过低，焊缝依然被氧化。采用换热管内侧选择 12L/min，外侧选择 10L/min，焊接完成后焊缝表面呈现银白色或者金黄色。

5 结论

内孔焊管板结构和焊接工艺已成功应用于低压反应水冷器的制造，设备制造完成后进行壳程氨渗漏检测，管、壳程水压试验，焊接接头无一泄露。

焊接之前，做了焊接工艺评定，并通过微观金相分析，力学性能检验，晶间腐蚀试验（C 法）等项目的检测验证，焊缝性能均能满足蓝图要求的机械性能和耐腐蚀性能。说明本次内孔焊结构和焊接工艺开发成功，可以用于同类型设备的制造。

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