CN110773852A - 一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法涉及管壳式换热器管接头内孔焊领域，具体涉及一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法，包括上夹具体和下夹具体，所述上夹具体和下夹具体相连后形成中空圆筒状夹具体，所述上夹具体和下夹具体通过密封结构相连，下夹具体的外周面上固定连接有一固定座，所述上夹具体上连接有一压杆，压杆远离上夹具体的一端上连接有一套筒；本发明使用可靠：本发明在焊缝外表面采用内孔焊保护工装，可以避免管接头的未焊透、焊缝外部表面被氧化。焊接时，内孔焊保护工装通入高纯氩气或其他保护气体，并通过上下夹具形成的通道在焊缝外部形成保护气氛围，使得焊缝表面光洁。操作人员只用安装通气即可，操作安全性和实用性强。

Description

一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法

技术领域

本发明涉及管壳式换热器管接头内孔焊领域，具体涉及一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法。

背景技术

在石油、化工、食品、医药和核工业等领域中，换热器的应用相当广泛，其类型和结构多样化，其中管壳式热交换器应用最为普遍。这种换热器存在两个腔体，主要依靠换热管与管板之间的焊接接头（管接头）来保证两腔的密封。在设计和制造过程中，管接头的焊接质量直接影响换热器的质量、安全和使用寿命，管接头的连接方式一般有强度焊、强度胀接、强度焊+贴胀、内孔焊等型式。

低压反应水冷器是硝铵装置的核心设备，管程进料侧为内孔焊，另一侧为强度焊。换热管规格直径25×2，材质S30403，长度11300mm，数量2020根，管板材质S30403Ⅲ。管程介质为氧化氮气，在进口前端处有降温喷淋，轴向进料于管板处形成强腐蚀介质沸腾酸，且氯离子浓度浓缩，形成强腐蚀环境，管接头采用了内孔焊结构，在壳程侧成型，属于对接焊结构。这种接头连接强度高、防止间隙腐蚀、对接接头可承载较大荷载、无胀接产生的残余应力、不存在端部焊接接头出现的焊缝根部切口的应力集中区、可承受疲劳载荷等，优点突出。

常见问题为，焊接接头未焊透，在使用过程中断裂，导致换热器管、壳程介质混合；焊接接头的耐晶间腐蚀性能下降，在腐蚀环境中容易腐蚀破坏，导致泄漏，影响最终产品质量。本文内孔焊结构，其定位台、凸环、应力释放槽等的结构尺寸与焊接质量息息相关，采用本结构并配上焊接工艺参数，加之背部保护工装，可以得到全焊透的焊接接头，既能保证焊接质量，又可以保证焊接接头的耐晶间腐蚀性能，值得在同行业内推广应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种有效解决管壳式热交换器管接头内孔焊焊接问题，以及过程中出现的未焊透、管接头应保护不良被氧化、耐晶间腐蚀性能下降、焊接应力过大、使用过程中的缝隙腐蚀等问题的一种内孔焊保护工装及内孔焊接方法。

本发明一种内孔焊保护工装，包括上夹具体和下夹具体，所述上夹具体和下夹具体相连后形成中空圆筒状夹具体，所述上夹具体和下夹具体通过密封结构相连，下夹具体的外周面上固定连接有一固定座，所述上夹具体上连接有一压杆，压杆远离上夹具体的一端上连接有一套筒，所述固定座上固定连接有一滑轨，所述套筒套接在滑轨上并通过锁紧装置与滑轨相连，当套筒在滑轨上滑动，上夹具体和下夹具体相互靠近或者远离；

所述夹具体上还设置有一进气管，所述通气管与夹具体内部相连通；

所述夹具体的一端上设置有环形凸台，所述环形凸台的中心轴线与夹具体的中心轴线在同一直线上；所述环形凸台上均布有若干个半圆形气体排出口。

优选地，密封结构为阶梯结构，所述上夹具体和下夹具体均为半圆筒状，所述阶梯结构分别设置在上夹具体和下夹具体周面的两端上，且上夹具体和下夹具体上的阶梯结构均由夹具体内部向夹具体外部设置，所述进气管设置在上夹具体上。

优选地，压杆为L形压杆，所述L形压杆与上夹具体连接处距上夹具体周向的两端距离相等，且L型压杆90°处氩弧焊成型。

优选地，锁紧装置包括定位锁紧螺栓，所述定位锁紧螺栓伸入套筒后与滑轨相抵，所述定位锁紧螺栓与套筒螺纹连接。

一种内孔焊接方法，包括以下步骤：

1）首先加工管板的通孔，然后在管板上通孔的一端加工应力释放环槽，最后在管板上通孔的同一端上加工定位环台，应力释放环槽和通孔及定位环台的中心轴线在同一直线上，且应力释放槽的内径大于定位环台的外径，且应力释放槽的内径和定位环台的外径差为0.5mm，应力释放槽的底部为圆角设置；

2）用清洗剂清洗管板和换热管对接端，去除油污和回程，并保持清洁，采用无纺布擦拭；

3）装配一种内孔焊保护工装及焊枪，将管板和换热管的对接端相连：将换热管的对接端伸入管板上的通孔内，并与定位环台相抵，实现定位；

装配一种内孔焊保护工装，上下滑动套筒，带动上夹具体和下夹具体相互远离或者靠近，将上夹具体和下夹具体相互靠近并合体后，将一种内孔焊保护工装上的环形凸台与管板上的应力释放槽相连接，然后紧固锁紧装置，夹具体内部区域通过环形凸台上均布的半圆形气体排出孔与外界相连通；

安装焊枪，在管板上通孔的另一端上安装定位块，调整焊枪钨极高度，焊枪芯轴的中心轴线与管板上通孔中心轴线在一条直线上，焊枪钨极在管板上通孔径向方向上的高度为16.5-16.9mm，且钨极在管板上通孔轴向上伸出定位环台，且距定位环台0.5mm；

4）焊接，从管板下方向上逐排逐根焊接，在焊接过程中观察管板焊接变形情况，出现换热管穿入后与定位环台间隙增大、换热管穿入定位环台困难、管板出现肉眼可见变形时及时加固；

夹持一种内孔焊保护工装的外圆周面，并通入氩气，然后利用焊枪进行自动焊接，焊接参数见下表，焊接结束6s后，拆除一种内孔焊保护工装；

5）检查，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，检测焊接质量；若焊接时出现烧穿换热管现象，在烧穿位置进行氩弧焊补焊，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；

焊接参数如下：

序号	参数名称及单位	具体参数
			1	提前送气时间（S）	10
2	滞后送气时间（S）	6
			3	预熔时间（S）	2
4	预熔电流（A）	90
			5	电流衰减位置（°）	370
6	电流衰减时间（S）	5
			7	峰值电流（A）	120
8	峰值时间（S）	0.2
			9	基值电流（A）	45
10	基值时间（S）	0.2
			11	焊接速度（mm/min）	125
12	氩气流量（L/min）	12L/min（内）/10L/min（外）
			13	120°电流（A）	117
14	240°电流（A）	114
			15	电弧电压（V）	12

优选地，管板上定位环台距管板上通孔端部的距离为1.5mm，应力释放槽深度为4.5mm。

本发明有益效果如下：

1）使用可靠：本发明在焊缝外表面采用内孔焊保护工装，可以避免管接头的未焊透、焊缝外部表面被氧化。焊接时，内孔焊保护工装通入高纯氩气或其他保护气体，并通过上下夹具形成的通道在焊缝外部形成保护气氛围，使得焊缝表面光洁。操作人员只用安装通气即可，操作安全性和实用性强。

2）操作方便：管板加工方便，用普通数控多孔钻即可完成加工，尺寸精度也可满足要求。内孔焊保护工装的制作用车床、铣床、电火花切割机可以完成。使用时，安装定位方便，操作简单灵活，锁紧采用螺纹连接，易于拆装。

3）焊接质量好：本发明在焊接时，换热管定位好后，内孔焊保护工装安装简洁，焊枪按照方法伸入后，可实现自动焊接，得到全焊透焊接接头，且内外均未被氧化，为银白色。

4）适用性强：本发明适用于换热管直径为25mm和19mm，均可采用类似结构尺寸和焊接方法。直径为25mm和19mm这两种外径规格的换热管在管壳式热交换器中比较常用。

5）设置内孔焊保护工装效果显著；内孔焊保护工装主体采用紫铜，既可以为氩气形成通道，又是热的良导体，可以迅速冷却焊缝，形成奥氏体组织。其端部开豁口，氩气易于流出，工装内部易形成保护气氛。

附图说明

图1为本发明管板与换热管连接示意图。

图2为孔焊保护工装结构示意图。

图3为图2的A向示意图。

图4为焊接过程结构示意图。

附图标记：1-管板，2-定位环台，3-应力释放槽，4-环形凸台，5-换热管，6-下夹具体，7-上夹具体，8-滑轨，9-套筒，10-锁紧螺栓，11-进气管，12-压杆，13-焊枪，14-定位块，15-焊枪钨极。

具体实施方式

本发明一种内孔焊保护工装，包括上夹具体7和下夹具体6，所述上夹具体7和下夹具体6相连后形成中空圆筒状夹具体，所述上夹具体7和下夹具体6通过密封结构相连，下夹具体6的外周面上固定连接有一固定座，所述上夹具体7上连接有一压杆12，压杆12远离上夹具体7的一端上连接有一套筒9，所述固定座上固定连接有一滑轨8，所述套筒9套接在滑轨8上并通过锁紧装置与滑轨8相连，当套筒9在滑轨8上滑动，上夹具体7和下夹具体6相互靠近或者远离；

所述夹具体上还设置有一进气管11，所述通气管与夹具体内部相连通；

所述夹具体的一端上设置有环形凸台4，所述环形凸台4的中心轴线与夹具体的中心轴线在同一直线上；所述环形凸台4上均布有若干个半圆形气体排出口。

密封结构为阶梯结构，所述上夹具体7和下夹具体6均为半圆筒状，所述阶梯结构分别设置在上夹具体7和下夹具体6周面的两端上，且上夹具体7和下夹具体6上的阶梯结构均由夹具体内部向夹具体外部设置，所述进气管11设置在上夹具体7上。

压杆12为L形压杆12，所述L形压杆12与上夹具体7连接处距上夹具体7周向的两端距离相等，且L型压杆1290°处氩弧焊成型。

锁紧装置包括定位锁紧螺栓10，所述定位锁紧螺栓10伸入套筒9后与滑轨8相抵，所述定位锁紧螺栓10与套筒9螺纹连接。

一种内孔焊接方法，包括以下步骤：

1）首先加工管板1的通孔，然后在管板1上通孔的一端加工应力释放环槽，最后在管板1上通孔的同一端上加工定位环台2，应力释放环槽和通孔及定位环台2的中心轴线在同一直线上，且应力释放槽3的内径大于定位环台2的外径，且应力释放槽3的内径和定位环台2的外径差为0.5mm，应力释放槽3的底部为圆角设置；

2）用清洗剂清洗管板1和换热管5对接端，去除油污和回程，并保持清洁，采用无纺布擦拭；

3）装配一种内孔焊保护工装及焊枪13，将管板1和换热管5的对接端相连：将换热管5的对接端伸入管板1上的通孔内，并与定位环台2相抵，实现定位；

装配如权利要求1-4任意一项所述一种内孔焊保护工装，上下滑动套筒9，带动上夹具体7和下夹具体6相互远离或者靠近，将上夹具体7和下夹具体6相互靠近并合体后，将一种内孔焊保护工装上的环形凸台4与管板1上的应力释放槽3相连接，然后紧固锁紧装置，夹具体内部区域通过环形凸台4上均布的半圆形气体排出孔与外界相连通；

安装焊枪13，在管板1上通孔的另一端上安装定位块14，调整焊枪钨极15高度，焊枪13芯轴的中心轴线与管板1上通孔中心轴线在一条直线上，焊枪钨极15在管板1通孔径向方向上的高度为16.5-16.9mm，即在管板1通孔径向方向上，焊枪钨极15伸出焊枪的一端与焊枪下端面的距离，且钨极在管板1上通孔轴向上伸出定位环台2，且距定位环台20.5mm；

4）焊接，从管板1下方向上逐排逐根焊接，在焊接过程中观察管板1焊接变形情况，出现换热管5穿入后与定位环台2间隙增大、换热管5穿入定位环台2困难、管板1出现肉眼可见变形等时及时加固；

夹持一种内孔焊保护工装的外圆周面，并通入氩气，然后利用焊枪13进行自动焊接，焊接参数见下表，焊接结束6s后，拆除一种内孔焊保护工装；

5）检查，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，检测焊接质量；若焊接时出现烧穿换热管5现象，在烧穿位置进行氩弧焊补焊，完成后，该换热管5除了进行水压试验外，还须进行氨渗漏检测，确保焊接质量；

焊接参数如下：

序号	参数名称及单位	具体参数
			1	提前送气时间（S）	10
2	滞后送气时间（S）	6
			3	预熔时间（S）	2
4	预熔电流（A）	90
			5	电流衰减位置（°）	370
6	电流衰减时间（S）	5
			7	峰值电流（A）	120
8	峰值时间（S）	0.2
			9	基值电流（A）	45
10	基值时间（S）	0.2
			11	焊接速度（mm/min）	125
12	氩气流量（L/min）	12L/min（内）/10L/min（外）
			13	120°电流（A）	117
14	240°电流（A）	114
			15	电弧电压（V）	12

以下以换热管5外径为25mm焊接进行说明，管板1上定位环台2距管板1上通孔端部的距离为1.5mm，应力释放槽3深度为4.5mm，应力释放槽3底部圆角半径1.5mm，定位环台2沿管板1轴向的长度为1.5mm，定位环台2外径25.2mm，偏差±0.05mm。

所述管板1上通孔直径须与机头定位块14配合，既能起到定位焊枪13作用，又能使得焊枪13出入管孔方便，管板1上的通孔直径为23mm，偏差±0.1mm。

上夹具体7和下夹具体6组成腔体内径为27mm，换热管5外径为25mm，上夹具体7和下夹具体6后端与换热管5与紧密贴合，减少漏气量，前端插入应力释放槽3，且插入端厚度薄于本体2mm，加工成半圆锯齿状，易于气体流出，在腔体内形成高纯氩气氛围，保护焊缝背部，防止氧化。

所述内孔焊保护工装的上夹具体7和下夹具体6之间靠台阶连接，防止径向搓动。

所述下夹具与滑轨8螺纹连接，滑轨8直径5mm，长度100mm，上夹具体7通过L形压杆12与滑轨8滑动连接，L形压杆12与滑轨8之间设置滑块，所述滑块与L形压杆12和定位螺栓通过螺纹连接，L形压杆12直径5mm，定位螺栓M5，长10mm。

所述滑块应钻孔，且加工精度要求高，粗糙度6.3μm，所述L形压杆12端部和定位螺栓端部须加工成圆弧面，圆弧半径2.5mm，L形压杆12与滑轨8间滑动顺畅，定位螺栓与滑轨8半圆贴合，与L形拉杆形成圆截面，定位时接触面积大，定位准确、牢固。

所述内孔焊保护工装的上夹具体7和下夹具体6材料为紫铜，在使用过程中不会和焊缝粘连，导热效果较好，不锈钢的焊接需要快冷，铜材可促进冷却。

所述上夹具体7上进气管11与氩气带连接。

所述L形压杆12与上夹具体7螺纹连接，且L型拉杆拐弯处用焊接方式完成。

所述内孔焊保护工装，待换热管5定位准确后，下夹具穿入换热管5间，上夹具下移扣紧定位后，一同插入应力释放槽3，完成组装工作。

所述钨极轴向定位，伸入管孔内位置要准确，目的是利于焊接。所述钨极轴向位置应在换热管5侧0.5mm，换热管5内径21mm，与管板1上通孔形成凸肩，凸肩露出厚度1.5mm，可作为熔敷金属，焊接时需要热量大，因此钨极应跨过凸肩0.5mm。

所述钨极径向定位，钨极端部与换热管5内壁的距离与引弧和焊接息息相关，有一最合适距离，应为0.5mm，对于直径25mm×2mm的换热管5，从焊枪13底部到钨极端部距离为16.80mm，以游标卡尺测量距离为准。

所述钨极端部应打磨成针尖装，以便起弧和焊接。

采用以上结构、工装和焊接方法可以实现管壳式热交换器的内孔焊焊接，且可得到全焊透结构，焊缝表面银白色。

所述的一种内孔焊结构和焊接方法，可以推广到类似设备或者内件有内孔焊的结构上。

本发明有益效果如下：

1）使用可靠：本发明在焊缝外表面采用内孔焊保护工装，可以避免管接头的未焊透、焊缝外部表面被氧化。焊接时，内孔焊保护工装通入高纯氩气或其他保护气体，并通过上下夹具形成的通道在焊缝外部形成保护气氛围，使得焊缝表面光洁。操作人员只用安装通气即可，操作安全性和实用性强。

2）操作方便：管板1加工方便，用普通数控多孔钻即可完成加工，尺寸精度也可满足要求。内孔焊保护工装的制作用车床、铣床、电火花切割机可以完成。使用时，安装定位方便，操作简单灵活，锁紧采用螺纹连接，易于拆装。

3）焊接质量好：本发明在焊接时，换热管5定位好后，内孔焊保护工装安装简洁，焊枪13按照方法伸入后，可实现自动焊接，得到全焊透焊接接头，且内外均未被氧化，为银白色。

4）适用性强：本发明适用于换热管5直径为25mm和19mm，均可采用类似结构尺寸和焊接方法。直径为25mm和19mm这两种外径规格的换热管5在管壳式热交换器中比较常用。

5）设置内孔焊保护工装效果显著；内孔焊保护工装主体采用紫铜，既可以为氩气形成通道，又是热的良导体，可以迅速冷却焊缝，形成奥氏体组织。其端部开豁口，氩气易于流出，工装内部易形成保护气氛。

Claims (6)

1.一种内孔焊保护工装，包括上夹具体（7）和下夹具体（6），所述上夹具体（7）和下夹具体（6）相连后形成中空圆筒状夹具体，其特征在于，所述上夹具体（7）和下夹具体（6）通过密封结构相连，下夹具体（6）的外周面上固定连接有一固定座，所述上夹具体（7）上连接有一压杆（12），压杆（12）远离上夹具体（7）的一端上连接有一套筒（9），所述固定座上固定连接有一滑轨（8），所述套筒（9）套接在滑轨（8）上并通过锁紧装置与滑轨（8）相连，当套筒（9）在滑轨（8）上滑动，上夹具体（7）和下夹具体（6）相互靠近或者远离；

所述夹具体上还设置有一进气管（11），所述通气管与夹具体内部相连通；

所述夹具体的一端上设置有环形凸台（4），所述环形凸台（4）的中心轴线与夹具体的中心轴线在同一直线上；所述环形凸台（4）上均布有若干个半圆形气体排出口。

2.如权利要求1所述一种内孔焊保护工装，其特征在于，所述密封结构为阶梯结构，所述上夹具体（7）和下夹具体（6）均为半圆筒状，所述阶梯结构分别设置在上夹具体（7）和下夹具体（6）周面的两端上，且上夹具体（7）和下夹具体（6）上的阶梯结构均由夹具体内部向夹具体外部设置，所述进气管（11）设置在上夹具体（7）上。

3.如权利要求2所述一种内孔焊保护工装，其特征在于，所述压杆（12）为L形压杆（12），所述L形压杆（12）与上夹具体（7）连接处距上夹具体（7）周向的两端距离相等，且L型压杆90°处氩弧焊成型。

4.如权利要求3所述一种内孔焊保护工装，其特征在于，所述锁紧装置包括定位锁紧螺栓（10），所述定位锁紧螺栓（10）伸入套筒（9）后与滑轨（8）相抵，所述定位锁紧螺栓（10）与套筒（9）螺纹连接。

5.一种内孔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先加工管板（1）的通孔，然后在管板（1）上通孔的一端加工应力释放环槽，最后在管板（1）上通孔的同一端上加工定位环台（2），应力释放环槽和通孔及定位环台（2）的中心轴线在同一直线上，且应力释放槽（3）的内径大于定位环台（2）的外径，且应力释放槽（3）的内径和定位环台（2）的外径差为0.5mm，应力释放槽（3）的底部为圆角设置；

2）用清洗剂清洗管板（1）和换热管（5）对接端，去除油污和灰尘，并保持清洁，采用无纺布擦拭；

3）装配一种内孔焊保护工装及焊枪（13），将管板（1）和换热管（5）的对接端相连：将换热管（5）的对接端伸入管板（1）上的通孔内，并与定位环台（2）相抵，实现定位；

装配如权利要求1-4任意一项所述一种内孔焊保护工装，上下滑动套筒（9），带动上夹具体（7）和下夹具体（6）相互远离或者靠近，将上夹具体（7）和下夹具体（6）相互靠近并合体后，将一种内孔焊保护工装上的环形凸台（4）与管板（1）上的应力释放槽（3）相连接，然后紧固锁紧装置，夹具体内部区域通过环形凸台（4）上均布的半圆形气体排出孔与外界相连通；

安装焊枪（13），在管板（1）上通孔的另一端上安装定位块（14），调整焊枪钨极（15）高度，焊枪（13）芯轴的中心轴线与管板（1）上通孔中心轴线在一条直线上，焊枪钨极（15）在管板（1）上通孔径向方向上的高度为16.5-16.9mm，且钨极在管板（1）上通孔轴向上伸出定位环台（2），且距定位环台（2）0.5mm；

4）焊接，从管板（1）下方向上逐排逐根焊接，在焊接过程中观察管板（1）焊接变形情况，出现换热管（5）穿入后与定位环台（2）间隙增大、换热管（5）穿入定位环台（2）困难、管板（1）出现肉眼可见变形时及时加固；

夹持一种内孔焊保护工装的外圆周面，并通入氩气，然后利用焊枪（13）进行自动焊接，焊接参数见下表，焊接结束6s后，拆除一种内孔焊保护工装；

5）检查，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，检测焊接质量；若焊接时出现烧穿换热管（5）现象，在烧穿位置进行氩弧焊补焊，完成后，该换热管（5）除了进行水压试验外，还须进行氨渗漏检测，确保焊接质量；

焊接参数如下：

序号 参数名称及单位 具体参数 1 提前送气时间（S） 10 2 滞后送气时间（S） 6 3 预熔时间（S） 2 4 预熔电流（A） 90 5 电流衰减位置（°） 370 6 电流衰减时间（S） 5 7 峰值电流（A） 120 8 峰值时间（S） 0.2 9 基值电流（A） 45 10 基值时间（S） 0.2 11 焊接速度（mm/min） 125 12 氩气流量（L/min） 12L/min（内）/10L/min（外） 13 120°电流（A） 117 14 240°电流（A） 114 15 电弧电压（V） 12

。

6.如权利要求5所述一种内孔焊接方法，其特征在于，管板（1）上定位环台（2）距管板（1）上通孔端部的距离为1.5mm，应力释放槽（3）深度为4.5mm。

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