CN105234532A - 一种钛换热器焊接工艺及其工装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛换热器焊接工艺及其工装。所述钛换热器包括管箱、壳体、换热管束和管板，管箱、换热管束及管板采用钛材；钛换热器的钛材焊缝包括管箱筒体的纵缝，管箱筒体和管箱封头的环缝，以及换热管与管板之间的角焊缝。本发明焊接工艺包括焊前准备、焊中过程以及焊后检验；焊接纵缝与环缝时，在焊枪的前方位置布置前保护工装，在焊枪的后方位置布置焊缝正面保护工装，在焊缝的背面布置焊缝背面保护工装；焊接角焊缝时，采用管板角焊缝保护工装。本发明工装包括管板角焊缝保护工装、前保护工装、焊缝正面保护工装与焊缝背面保护工装。本发明在钛换热器施焊位置采用多种气保护工装来同时保护焊缝，提高了焊缝质量，保证了焊缝符合标准要求。

Description

一种钛换热器焊接工艺及其工装

技术领域

本发明涉及钛换热器的制造工艺与设备，具体地说是一种钛换热器焊接工艺及其工装。

背景技术

管壳式换热器由管箱、壳体、换热管束和管板等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有换热管束，换热管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。钛材制作的管壳式换热器，其管程、换热管及管板均采用钛材，而壳程采用普通低合金钢。

钛换热器的焊缝型式包括对接焊缝与角焊缝。对接焊缝又分为壳体筒体的纵缝，以及管箱筒体和管箱封头的环缝；角焊缝用于换热管与管板的焊接。由于钛材在高温下具有化学性活泼且导热性差、热熔量小等特点，钛材焊接与其它材料焊接存在很大差别。为了保证钛换热器焊缝的质量，焊接时必须对焊缝进行可靠的气体保护。

现有技术中，通常采用保护拖罩来对钛换热器的纵缝与环缝的外表面进行焊缝保护，而对这些焊缝的内表面缺少保护措施。保护拖罩的常用结构是采用一个底部开口的罩体，在罩体上连通有一根进气管。将罩体罩在焊缝上，从进气管向罩体内通入氩气等保护气体，从而保护焊缝。这种保护拖罩的缺点是罩体内的保护气体分布不均匀，对焊缝的保护效果不理想，影响焊缝的质量。

另外，换热管与管板之间的焊接角焊缝，现有技术中仅仅是通过焊枪中的保护气体来保护，而没有设置专门的保护装置来保护。当这种角焊缝焊缝形成后，由于焊枪已离开，刚形成的焊缝的热影响区和焊缝区得不到充分均匀的气体保护，因此影响角焊缝的质量。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有钛换热器焊缝保护效果不好的问题，本发明提供一种焊缝质量高的钛换热器焊接工艺，为此，本发明还提供一种该焊接工艺中使用的工装。

本发明工艺的技术方案为：一种钛换热器焊接工艺，所述钛换热器包括管箱、壳体、换热管束和管板，所述管箱、所述换热管束及所述管板采用钛材；所述钛换热器的钛材焊缝包括所述管箱筒体的纵缝，所述管箱筒体和所述管箱封头的环缝，以及换热管与所述管板之间的角焊缝；所述焊接工艺包括以下步骤：

1)焊前准备，包括检验材料尺寸与公差、开焊接坡口、坡口表面处理、准备保护气体、准备气保护工装、准备施焊环境；所述气保护工装包括管板角焊缝保护工装、前保护工装、焊缝正面保护工装与焊缝背面保护工装；

2)焊中过程，先采用定位焊定位，接着分别焊接所述管箱筒体的纵缝，所述管箱筒体和所述管箱封头的环缝，以及所述换热管与所述管板的角焊缝；

焊接所述纵缝与所述环缝时，在焊枪的前方位置布置所述前保护工装，在焊枪的后方位置布置所述焊缝正面保护工装，在焊缝的背面布置焊缝背面保护工装，并且这些工装都随着焊枪的移动而移动；

焊接所述角焊缝时，将所述管板角焊缝保护工装罩住一个或者多个所述换热管；

提前向各气保护工装内充入保护气体，并保持保护气体至焊接结束后一定时间；

3)焊后检验，根据焊缝标准判定焊缝是否合格。

进一步地，所述保护气体采用氩气、氮气或者氦气。

进一步地，焊接所述换热管与所述管板之间的角焊缝时，采用Z形跳焊法，用以控制焊接变形。

进一步地，焊接所述换热管与所述管板之间的角焊缝时，从11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始收弧。

进一步地，还包括下述步骤，4)焊缝返修，焊缝被判定为不合格时，按已经焊接责任人审核的焊缝返修工艺进行返修。

进一步地，还包括下述步骤，5)焊后热处理，当所述钛换热器用于腐蚀场合，并且钛材是复合制成的，钛基层母材要求进行热处理时，则对所述钛换热器进行焊后热处理。

本发明工艺中使用的工装的技术方案为：所述管板角焊缝保护工装包括由外壁板、前侧板及后侧板围成的腔体；所述前侧板与所述后侧板上开有相对应的操作孔；所述腔体内设置有环形布气管，所述布气管上均布有气体分流孔；所述外壁板上固定有进气管，所述进气管穿过所述外壁板并与所述布气管相连通。

所述焊缝正面保护工装包括底部开口的罩体，所述罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管，所述进气管的内端封闭，所述进气管的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔。

所述罩体由顶板、前罩板、后罩板、左侧板及右侧板围合而成，所述前罩板、所述左侧板及所述右侧板均垂直于所述顶板，所述后罩板倾斜设置并且所述后罩板与所述顶板之间的夹角为钝角，所述进气管设置在前罩板上，并且其轴线分别与所述顶板、所述左侧板及所述右侧板平行。

所述焊缝背面保护工装包括顶部开口的罩体，所述罩体的顶部与所述钛设备的内表面相匹配，所述罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管，所述进气管的内端封闭，所述进气管的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔。

本发明与现有技术相比，在钛换热器施焊位置采用多种气保护工装来同时保护焊缝，提高了焊缝质量，保证了焊缝符合标准要求。

附图说明

图1是使用本发明工艺的钛换热器的结构示意图。

图2是Z形跳焊法示意图。

图3是起弧和收弧位置示意图。

图4是本发明中的管板角焊缝保护工装的结构示意图。

图5是图4中的右视图。

图6是本发明中的焊缝正面保护工装的结构示意图。

图7是图6中的焊缝正面保护工装的俯视图。

图8是本发明中的焊缝背面保护工装的第一种实施例的结构示意图。

图9是图8中的焊缝背面保护工装第一种实施例的俯视图。

图10是本发明中的焊缝背面保护工装的第二种实施例的结构示意图。

图11是图10中的焊缝背面保护工装第二种实施例的俯视图。

图1—图11中，包括外壁板1、前侧板2、布气管3、气体分流孔4、进气管5、后侧板6、操作孔7、焊缝10、前保护工装20、施焊位置30、焊缝正面保护工装40、后罩板41、顶板42、气体分流孔43、右侧板44、前罩板45、进气管46、左侧板47、进气管端板48、焊缝引入缺口49、焊缝背面保护工装50、后罩板51、底板52、气体分流孔53、右侧板54、前罩板55、进气管56、左侧板57、进气管端板58、管箱100、壳体200、换热管束300、管板400。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1所示是使用本发明工艺制作的钛换热器的结构示意图。钛换热器包括管箱100、壳体200、换热管束300和管板400，管箱100、换热管束300及管板400采用钛材，壳体200采用Q345R。钛换热器的钛材焊缝包括管箱筒体的纵缝，管箱筒体和管箱封头的环缝，以及换热管与管板之间的角焊缝。

本发明焊接工艺包括以下步骤：

1)焊前准备，包括检验材料尺寸与公差、开焊接坡口、坡口表面处理、准备保护气体、准备气保护工装、准备施焊环境；气保护工装包括管板角焊缝保护工装、前保护工装、焊缝正面保护工装与焊缝背面保护工装。

焊前准备步骤具体包括：(1)保证换热管管板的内孔径公差，保证换热管外径尺寸，目的是用来保证组装换热管四周间隙均匀(可用塞尺测量)。

(2)焊前坡口及其两侧25mm范围内，均应采用专用不锈钢砂轮片去除表面氧化膜，并用丙酮清洗，若清洗后超过四小时没焊接，则应重新清洗。焊前装配换热管束时，先用丙酮清洗，换热管管头两端25mm范围内无油、锈、毛刺等。

(3)钛换热器施焊前，应经焊接工艺评定合格。应按NB/T47015及工艺评定PQR要求编制焊接工艺规程(WPS)，产品应按照焊接工艺规程要求进行施焊。

(4)应由具备钛材持证项目的焊工进行施焊。

(5)检查设备状态完好，设备仪表应经计量。

(6)应用不锈钢专用卷板机卷板，预防与黑色金属接触，造成铁离子污染。

(7)焊接坡口：应根据图样要求和焊接工艺规程要求合理选用标准坡口或自行设计。坡口形式应考虑焊接方法、母材厚度、焊缝填充金属尽量少、避免产生缺陷、减少焊接变形和应力、有利于焊接防护、焊工操作方便等等因素。

(8)焊材焊接性能良好，符合相关标准规定要求，能满足钛容器制造要求。

(9)当不同等级牌号钛材焊接时，焊材选用强度等级较低侧母材的性能来选择焊材。

(10)保护气体采用氩气、氮气或者氦气等惰性气体。本实施例中保护气体采用氩气，氩气的纯度为99.999％，并符合GB4842标准的规定。钨棒应采用铈钨棒。

(11)焊前根据图纸设计好气体保护工装。

(12)施焊环境要求空气洁净且无烟尘的独立空间。

(13)当遇下列情况时应禁止焊接(风速≥1.5m/s；相对湿度＞80％；焊件温度低于5℃，在下雨和下雪时的室外作业)。超出此范围时应停止施焊。施焊环境应严格遵守钛材焊接环境要求。

(14)焊材的保存库应干燥，湿度不得大于60％，温度不应低于5℃。施焊前对焊丝应进行化学清洗，清除表面氧化膜。

2)焊中过程，先采用定位焊定位，接着分别焊接管箱筒体的纵缝，管箱筒体和管箱封头的环缝，以及换热管与管板的角焊缝。焊接纵缝与环缝时，在焊枪的前方位置布置前保护工装，在焊枪的后方位置布置焊缝正面保护工装，在焊缝的背面布置焊缝背面保护工装，并且这些工装都随着焊枪的移动而移动；焊接角焊缝时，将管板角焊缝保护工装罩住一个或者多个换热管；提前向各气保护工装内充入保护气体，并保持保护气体至焊接结束后一定时间。

(1)定位焊：定位焊接应与设备主体焊缝采用相同的焊接工艺，而且应使定位焊最后熔入永久焊缝中。定位焊时，应用纵缝气保护工装点焊。保证点焊焊缝的质量。

(2)焊接采用铈钨棒φ2.5，喷嘴直径φ12。焊接前采用预充氩保护工装，提前3秒钟充氩后进行焊接，焊接时后保护罩跟着拖动。管板焊接时焊完一个管头后保护3～5秒钟。对于钛材多层焊缝，先焊完第一层，焊第二层之前待焊缝表面温度手感温热，焊接采用小线能量焊接，焊接层间温度以不高于60度为宜，手感温热。必要时可以采取垫铜板冷却或。临时焊接到钛容器上的附件，应采用跟主体焊缝同焊接工艺、同焊材施焊。结束后，取下来修磨，并用渗透检测检验母材表面，保证与原母材保持一致。

(3)换热器管板焊接时，宜采用Z形跳焊法，以控制焊接变形，详见图2，按照图2中的1-2-3-4的顺序施焊。换热管双侧施焊时，不得同时焊接一根钛管，单侧施焊时，另一侧严禁进行割、胀、洗管工作；换热管焊接时，起弧和收弧位置，详见图3。从11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始收弧。焊接结束，氩气后保护3～5秒。

(4)焊缝焊接工艺参数见表1：

表1焊缝焊接工艺参数

3)焊后检验，根据焊缝标准(产品制造检验标准)判定焊缝是否合格。

焊缝表面的形状尺寸和焊接要求应符合JB/T4745-2002及GB150-2011标准要求。焊缝表面应用10倍放大镜检查，不应有裂纹、未熔合、气孔、弧坑、夹渣、飞溅物、打弧点等。焊缝不得有咬边，并对所有焊缝和热影响区的焊接结束原始状态时的表面颜色进行检验，并按表2判断是否合格并进行处理。

表2钛焊缝表面颜色及处理方法

序号	表面颜色	合格判断	氩气保护	处理方法
					1	银白色	合格	最佳	不用处理
2	金黄色(致密)	合格	尚好	不用处理
					3	蓝色	用于不重要部位	稍差	去除蓝色
4	紫色	可用于常压容器	较差	去除紫色，去不掉应返修

5	灰色	不合格	差	返修
					6	暗灰色	不合格	差	返修
7	灰白色	不合格	很差	返修
					8	黄色粉状物	不合格	极差	返修

4)焊缝返修，焊缝被判定为不合格时，按已经焊接责任人审核的焊接返修工艺进行返修。

焊缝返修应由焊接责任人制订返修工艺，并严格按返修工艺执行。焊缝返修时严格遵守焊接工艺要求。

因颜色不合格或表面缺陷打磨后，只要厚度能满足设计要求，可不补焊；同一位置返修不允许超过两次，超次返修需经单位技术总负责人的书面同意方可进行。

5)焊后热处理

图样无规定的情况下，一般不要求进行焊后热处理。但如果当钛换热器用于腐蚀场合，并且钛材是复合制成的，钛基层母材要求进行热处理时，则对钛换热器进行焊后热处理。热处理后不得在容器上施焊，且应在水压试验之前进行热处理。

本发明工艺中使用的管板角焊缝保护工装，如图4、图5所示。其包括由外壁板1、前侧板2及后侧板6围成的腔体；前侧板2与后侧板6上开有相对应的操作孔7；腔体内设置有环形布气管3，布气管3上均布有气体分流孔4；外壁板1上固定有进气管5，进气管5穿过外壁板1并与布气管3相连通。

管板角焊缝保护工装的腔体最好为圆环形，相应地布气管3也为圆环形。腔体当然也可以采用前侧板2与后侧板6为正方形的长方体环形，也可以采用前侧板2与后侧板6为椭圆形的椭圆体环形，还可以采用前侧板2与后侧板6为其它形状的腔体。

前侧板2与后侧板6上的操作孔7可以是大小相同，也可以不同；其形状最好为圆形，也可以是正方形、椭圆形等其它形状。

管板角焊缝保护工装的工作原理与工作过程如下：使用时，将进气管5与保护气源(一般采用氩气)相连通，进气管5兼作手柄。焊前，将后侧板6上的操作孔7圈住一根或者多根换热管的焊接位置，接着向进气管5中充入保护气体，保护气体通过布气管3上的气体分流孔4均匀分布在腔体内；2秒左右后，将焊枪从前侧板2上的操作孔7伸向焊接位置进行施焊，焊中，本发明腔体内的保护气体与焊枪上的保护气体同时对焊缝进行双重保护；焊接结束后，移走焊枪，将管板角焊缝保护工装继续停留在焊接位置2-3秒左右，并保持通气，这样可使焊好的焊缝得到充分的气体保护。

本发明工艺中使用的焊缝正面保护工装，如图6、图7所示。焊缝正面保护工装40，包括底部开口的罩体。罩体由顶板42、前罩板45、后罩板41、左侧板47及右侧板44围合而成，前罩板45、左侧板47及右侧板44均垂直于顶板42，后罩板41倾斜设置并且后罩板41与顶板42之间的夹角为钝角。后罩板41倾斜设置的目的是为了避免与焊接设备产生干涉。

罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管46。进气管46设置在前罩板45上，并且其轴线分别与顶板42、左侧板47及右侧板44平行。进气管46的内端由进气管端板48封闭，进气管46的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔43。

后罩板41的底边上开有焊缝引入缺口49。焊缝引入缺口49的设置是为了避开焊缝，避免后罩板41与焊缝干涉。

当焊缝正面保护工装用来保护筒体环形焊缝时，左侧板47及右侧板44的底边设置为相同的凹陷的弧形，弧形的弧度与筒体的外径相配合。

如图6所示，利用焊缝正面保护工装40保护焊缝10时，在施焊位置30的前部设置有通保护气体的前保护工装20，在施焊位置30的后部设置焊缝正面保护工装40。前保护工装20直接使用一根指向施焊位置30的气管。向焊缝正面保护工装40的进气管46中通入氩气等保护气体，气体从进气管46的气体分流孔43中流出，并且均匀充满罩体，从而更好地保护焊缝10。

本发明工艺中使用的焊缝背面保护工装50，如图8—图11所示。图8、图9为焊缝背面保护工装50的第一种实施例，图10、图11为焊缝背面保护工装50的第二种实施例。

参考图8、图9，焊缝背面保护工装50的第一种实施例，包括顶部开口的罩体，罩体的顶部与钛换热器的内表面相匹配。罩体由底板52、前罩板55、后罩板51、左侧板57及右侧板54围合而成。底板52为向上凸起的弧形，弧形的弧度与筒体的内径相配合。前罩板55、后罩板51、左侧板57及右侧板54均垂直于底板52。

罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管56。进气管56设置在前罩板55上，并且其轴线与底板52的弧形同心。进气管56的内端由进气管端板58封闭，进气管56的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔53。

后罩板51与前罩板55的顶边上开有焊缝引入缺口。焊缝引入缺口的设置是为了避开焊缝，避免后罩板51及前罩板55与焊缝干涉。

参考图10、图11，是焊缝背面保护工装50的第二种实施例，其包括顶部开口的罩体，罩体的顶部与钛换热器的内表面相匹配。罩体由底板52、前罩板55、后罩板51、左侧板57及右侧板54围合而成。底板52为平面板形，前罩板55、后罩板51、左侧板57及右侧板54均垂直于底板52。

罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管56。进气管56设置在前罩板55上，并且其轴线分别与底板52、左侧板57及右侧板54平行。进气管56的内端由进气管端板58封闭，进气管56的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔53。

后罩板51与前罩板55的顶边上开有焊缝引入缺口。焊缝引入缺口的设置是为了避开焊缝，避免后罩板51及前罩板55与焊缝干涉。

如图8、图10所示，利用焊缝背面保护工装50保护焊缝10时，在施焊位置30的前部设置有通保护气体的前保护工装20，在施焊位置30的后部设置有焊缝正面保护工装40，在施焊位置30的下方即钛换热器的内表面设置有焊缝背面保护工装50。向焊缝背面保护工装50的进气管56中通入氩气等保护气体，气体从进气管56的气体分流孔53中流出，并且均匀充满罩体，从而更好地保护焊缝10。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种钛换热器焊接工艺，所述钛换热器包括管箱、壳体、换热管束和管板，所述管箱、所述换热管束及所述管板采用钛材；所述钛换热器的钛材焊缝包括所述管箱筒体的纵缝，所述管箱筒体和所述管箱封头的环缝，以及换热管与所述管板之间的角焊缝；其特征是，所述焊接工艺包括以下步骤：

1)焊前准备，包括检验材料尺寸与公差、开焊接坡口、坡口表面处理、准备保护气体、准备气保护工装、准备施焊环境；所述气保护工装包括管板角焊缝保护工装、前保护工装、焊缝正面保护工装与焊缝背面保护工装；

2)焊中过程，先采用定位焊定位，接着分别焊接所述管箱筒体的纵缝，所述管箱筒体和所述管箱封头的环缝，以及所述换热管与所述管板的角焊缝；

焊接所述纵缝与所述环缝时，在焊枪的前方位置布置所述前保护工装，在焊枪的后方位置布置所述焊缝正面保护工装，在焊缝的背面布置焊缝背面保护工装，并且这些工装都随着焊枪的移动而移动；

焊接所述角焊缝时，将所述管板角焊缝保护工装罩住一个或者多个所述换热管；

提前向各气保护工装内充入保护气体，并保持保护气体至焊接结束后一定时间；

3)焊后检验，根据焊缝标准判定焊缝是否合格。

2.如权利要求1所述的钛换热器焊接工艺，其特征是：所述保护气体采用氩气、氮气或者氦气。

3.如权利要求1所述的钛换热器焊接工艺，其特征是：焊接所述换热管与所述管板之间的角焊缝时，采用Z形跳焊法，用以控制焊接变形。

4.如权利要求1所述的钛换热器焊接工艺，其特征是：焊接所述换热管与所述管板之间的角焊缝时，从11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始收弧。

5.如权利要求1所述的钛换热器焊接工艺，其特征是：还包括下述步骤，4)焊缝返修，焊缝被判定为不合格时，按已经焊接责任人审核的焊缝返修工艺进行返修。

6.如权利要求1所述的钛换热器焊接工艺，其特征是：还包括下述步骤，5)焊后热处理，当所述钛换热器用于腐蚀场合，并且钛材是复合制成的，钛基层母材要求进行热处理时，则对所述钛换热器进行焊后热处理。

7.如权利要求1-6中任一项所述的钛换热器焊接工艺中使用的气保护工装，其特征是：所述管板角焊缝保护工装包括由外壁板(1)、前侧板(2)及后侧板(6)围成的腔体；所述前侧板(2)与所述后侧板(6)上开有相对应的操作孔(7)；所述腔体内设置有环形布气管(3)，所述布气管(3)上均布有气体分流孔(4)；所述外壁板(1)上固定有进气管(5)，所述进气管(5)穿过所述外壁板(1)并与所述布气管(3)相连通。

8.如权利要求1-6中任一项所述的钛换热器焊接工艺中使用的气保护工装，其特征是：所述焊缝正面保护工装(40)包括底部开口的罩体，所述罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管(46)，所述进气管(46)的内端封闭，所述进气管(46)的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔(43)。

9.如权利要求8所述的气保护工装，其特征是：所述罩体由顶板(42)、前罩板(45)、后罩板(41)、左侧板(47)及右侧板(44)围合而成，所述前罩板(45)、所述左侧板(47)及所述右侧板(44)均垂直于所述顶板(42)，所述后罩板(41)倾斜设置并且所述后罩板(41)与所述顶板(42)之间的夹角为钝角，所述进气管(46)设置在前罩板(45)上，并且其轴线分别与所述顶板(42)、所述左侧板(47)及所述右侧板(44)平行。

10.如权利要求1-6中任一项所述的钛换热器焊接工艺中使用的气保护工装，其特征是：所述焊缝背面保护工装(50)包括顶部开口的罩体，所述罩体的顶部与所述钛设备的内表面相匹配，所述罩体的侧壁上固定有伸入其内部的进气管(56)，所述进气管(56)的内端封闭，所述进气管(56)的两侧侧壁上分别开设有均布的多个气体分流孔(53)。