CN111037065B - 一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及焊接技术，公开了一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，可以有效消除接头外表面内凹及背面收弧弧坑等焊接缺陷。该换热管的内孔径为9～15毫米，壁厚1～2毫米；该方法包括：根据带有凹槽的管板凸台调整焊枪枪头钨针位置，使得当焊枪插入并处于待焊状态时，该钨针位于该管板凸台一侧且与该管板凸台的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处；将换热管与该管板凸台进行同轴组对，并确保两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内；选定3～5点钟和7～9点钟位置中的任一位置为起弧点，并设定起弧后上坡焊接；根据所选定的起弧点将待焊圆周均分成2N个区间，并按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流，对该待焊圆周进行全位置内孔焊接。

Description

一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法

技术领域

本申请涉及焊接技术，特别涉及管子管板的内孔焊焊接方法技术。

背景技术

为满足空间反应堆、海洋反应堆等能源场景应用需求，除了固有的安全性、经济型、高效性等要求外，小型化、轻量化、模块化成为了以熔盐堆为代表的未来第四代核能的主要发展趋势，这对反应堆结构材料和制造工艺提出了很高的要求。胀接密封焊是目前核能蒸发器、换热器等热交换设备管子管板的主要制造方法。该方法工艺成熟简单但其管子管板接头强度低、应力集中系数大、抗疲劳性能差，管板厚度可达200-400mm，极为笨重，不适合高温、高压、高腐蚀等严苛工况环境及上述未来核能发展要求。

针对上述问题，本文提出了一种强度及抗疲劳性能极佳的接头设计和管子管板连接方法。该专有技术可满足镍及镍合金小孔径(9-15mm)管子管板以对接自熔形式连接，实现接头的等强匹配，使得接头具备极佳的接头强度和抗疲劳性能，从而大幅度减小管板厚度，进而实现换热器的轻量化；同时可提高管板单位面积上的布管数量，提高换热面积，进而提高换热器的换热效率，实现换热器的小型化。本专有技术非常契合空间堆、海洋堆的国家战略发展方向，是反应堆模块化、小型化不可或缺的关键制造方法和工艺。

现有文献和资料表明，内孔焊技术目前在核能领域鲜有应用，主要用于化工领域蒸发器、换热器的制造，其焊炬枪头较粗，主要适用于较大管径的填丝内孔焊，并不适用于小孔径换热管与管板的连接；且没有适用于镍及镍合金小孔径管子管板内孔焊的工艺研究成果可供借鉴。因此，有必要开展内孔焊工艺研究，以满足镍及镍合金小径管子管板焊接需要，保障未来先进核能换热器的制造。

发明内容

本申请的目的在于提供一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，可有效消除接头外表面内凹及背面收弧弧坑等焊接缺陷，且焊接一次性成型合格率可达99％以上。

本申请公开了一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，所述换热管的内孔径为9～15毫米，壁厚为1～2毫米；所述方法包括：

根据带有凹槽的管板凸台调整焊枪枪头钨针位置，使得当焊枪插入并处于待焊状态时，所述钨针位于所述管板凸台一侧且与所述管板凸台的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处；

将所述换热管与所述管板凸台进行同轴组对，并确保两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内；

选定3～5点钟和7～9点钟位置中的任一位置为起弧点，并设定起弧后上坡焊接；

根据所选定的起弧点将待焊圆周均分成2N个区间，并按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接，其中N为正整数。

在一个优选例中，所述换热管和所述管板凸台的材料为镍及镍合金；

所述全位置内孔焊接为钨极氩弧焊。

在一个优选例中，所述按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

调整焊接电流为脉冲形式，脉冲频率为1～3赫兹，基值电流与峰值电流之比为35％～50％。

在一个优选例中，N＝3或N＝4；

每个区间的峰值电流均在45～65安培范围内。

在一个优选例中，所述按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

起弧前送气2～5秒，调整起弧电流不小于45安培。

在一个优选例中，所述对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

在完成旋转钨针从0到360°的焊接后，将收弧点与所述起弧点错开，继续旋转钨针至370°～390°内进行收弧焊接。

在一个优选例中，所述收弧焊接时，还包括：

调整电流逐渐衰减至4～8安培后，维弧3～7秒，并在熄弧后滞后送气2～5秒。

在一个优选例中，所述根据带有凹槽的管板凸台调整焊枪枪头钨针位置之前，还包括：

将所述管板凸台和所述换热管的待焊端口使用有机溶剂如酒精、丙酮等清洁，去除端面毛刺，保证待焊端面平齐。

在一个优选例中，所述将换热管与所述换热管进行同轴组对之后，还包括：

将外气体保护卡套安装到所述管板凸台和所述换热管的所述组对端面外侧，以在所述全位置内孔焊接时对焊缝进行气体保护。

本申请的实施方式，与现有技术相比至少包括以下区别和效果：

针对换热管内孔径为9～15毫米，壁厚为1～2毫米的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接需要进行设计，焊接前，调整钨针位置至管板凸台一侧且与所述管板凸台的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处，控制组对后的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内，调整起弧点并设定上坡焊接，根据起弧点将待焊圆周均分2N区间，并按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流，焊接时以区间为单位进行全位置焊接，可有效消除接头外表面内凹等焊接缺陷，得到焊接接头成型美观和焊接质量优异，且焊接接头强度及其他性能大大优于传统的胀接焊和钎焊。

进一步地，起弧前送气2～5秒，起弧电流不小于45安培，调整焊接电流为脉冲形式，脉冲频率为1～3赫兹，基值电流与峰值电流之比为35％～50％，每个区间的峰值电流均在45～65安培范围内进行从0到360°的焊接，在完成旋转钨针从0到360°的焊接后，将收弧点与所述起弧点错开，继续旋转钨针至370°～390°内的任一预设位置进行收弧焊接，收弧焊接时调整电流逐渐衰减至4～8安培，维弧3～7秒，并在熄弧后滞后送气2～5秒，可有效消除接头外表面背面收弧弧坑等焊接缺陷，使得焊接接头成型美观性，进一步提高了焊接质量。

本申请的实施方式，可有效保证镍及镍基高温合金管板内孔焊焊接接头的强度、塑性、使用寿命等特性，从而提高熔盐堆换热器服役运行过程中的安全性、可靠性。

通过试验验证，根据本申请的实施方式对小孔径镍及镍合金管材的内孔焊焊接，焊接一次性成型合格率可达99％以上。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是根据本申请第一实施方式的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法流程示意图；

图2是根据本申请第一实施方式的管板凸台和换热管同轴对接后的局部剖视图；

图3是根据实施例1中组对后的内孔焊接头外部状态图；

图4是根据实施例1中焊接后的内孔焊接头外部状态图；

图5是根据实施例1中焊接后的内孔焊接头纵截面金相示意图；

图6是根据实施例1中焊接后的内孔焊接头渗透检测的状态图；

图7是根据实施例1中焊接后的内孔焊接头射线检测的状态图；

图8(a)是根据实施例2中内孔焊接后整块管板的俯视图；

图8(b)是根据实施例2中内孔焊接后整块管板的主视图；

图8(c)是根据实施例2中内孔焊接后焊接头外部状态图；

图9是根据本申请第一实施方式的管板凸台和该换热管内径和壁厚规格的一个示例。

其中，

201-换热管 202-管板凸台 203-钨针

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

部分概念的说明：

同轴组对：将两个管道的待焊面进行对接，并保持两个管道为同轴状态。

全位置焊接：当水平固定管焊接时,管子不动,而焊枪绕管子旋转,这时将出现以下几种焊接位置:平焊、向下立焊、仰焊和向上立焊,所以称之为全位置焊。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请公开了一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，如图2所示，该管板凸台202和该换热管201内径为9～15毫米，壁厚为1～2毫米。

如图9所示管板凸台202和该换热管201内径和壁厚规格的一个示例。

如图1所示，该焊接方法具体包括以下步骤：

具体的，在步骤101中，根据带有凹槽的管板凸台202调整焊枪枪头钨针203位置，使得当焊枪插入并处于待焊状态时，该钨针203位于该管板凸台202一侧且与该管板凸台202的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处。例如但不限于可以通过特制的工装夹具使钨针203定位到该管板凸台202一侧且与该管板凸台202的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处。

其中，该管板凸台202的壁厚大于该换热管201。

可选地，该步骤101之前，还包括以下步骤：

将该管板凸台202和该换热管201的待焊端口使用有机溶剂如酒精、丙酮等清洁，去除端面毛刺，保证待焊端面平齐。

之后，进入步骤102，将换热管201与该管板凸台202进行同轴组对，并确保两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内。例如但不限于可以通过特制的工装夹具夹持管板凸台202和换热管201对接后使得两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内，并保持到焊接工作结束后。

图2示例性地示出了示例管板凸台202和示例换热管201同轴对接后的局部剖视图。

可选地，该管板凸台202和该换热管201的材料为镍及镍合金。

可选地，该步骤102之后，还包括以下步骤：

将外气体保护卡套安装到该管板凸台202和换热管201的该组对端面外侧，以在该全位置内孔焊接时对焊缝进行气体保护。

之后，进入步骤103，选定3～5点钟和7～9点钟位置中的任一位置为起弧点，并设定起弧后上坡焊接。

之后，进入步骤104，根据所选定的起弧点将待焊圆周(0～360°)均分成2N(N为正整数)个区间，并按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流，对该待焊圆周进行全位置内孔焊接。

可选地，该全位置内孔焊接为钨极氩弧焊。

可选地，该步骤104中“按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对该待焊圆周进行全位置内孔焊接”时，还包括以下步骤：

起弧前送气2～5秒，调整起弧电流不小于45安培。

可选地，该步骤104中“按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对该待焊圆周进行全位置内孔焊接”时，还包括以下步骤：

调整焊接电流为脉冲形式，脉冲频率为1～3赫兹，基值电流与峰值电流之比为35％～50％。

可选地，N＝3或N＝4，每个区间的峰值电流均在45～65安培范围内。

可选地，该步骤104中“按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对该待焊圆周进行全位置内孔焊接”时，还包括以下步骤：

在完成旋转钨针203从0到360°的焊接后，将收弧点与该起弧点错开，继续旋转钨针203至370°～390°内的任一位置进行收弧焊接。

可选地，上述收弧焊接时，还包括以下步骤：

调整电流逐渐衰减至4～8安培，维弧3～7秒，并在熄弧后滞后送气2-5秒。

为了能够更好地理解本申请的技术方案，下面结合两个具体的实施例进行说明。其中这两个实施例中的小孔径管材均为镍基合金，合金牌号UNSN10003，该合金属于固溶强化高温耐蚀Ni-Mo-Cr合金，其组分按重量百分比为：C：0.04～0.08％，Mn≤1.0％，Si≤1.0％，Cu≤0.35％，Co≤0.20％，P≤0.015％，S≤0.020％，Fe≤5.0％，Cr：6.0～8.0％，Mo：15.0～18.0％，Al+Ti≤0.5％，W≤0.5％，V≤0.5％，B≤0.01％，余量为Ni和不可避免的杂质。

实施例1

该实施例1为管子A和管子B的内孔焊焊接。

管子A和管子B选取的均为UNS N10003镍基合金管材，外径13.72mm，壁厚1.65mm；合金化学成分重量百分比：70.8Ni，6.96Cr，16.7Mo，4.2Fe，0.35Si，0.053C，0.001S，0.002P，0.002B，0.71Mn，0.014Al,0.011Ti，其它≤0.5。

工序1：焊前准备

将管子A和管子B的待焊端口使用有机溶剂如酒精、丙酮等清洁，去除端面毛刺，保证待焊端面平。

工序2：钨针定位

根据带有凹槽的管子A调整焊枪枪头钨针位置，使得当焊枪插入并处于待焊状态时，该钨针位于管子A一侧且与管子A的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处。

工序3：焊接接头组对

将管子A与管子B进行同轴组对，并确保两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内。

工序4：安装气体保护套

将外气体保护卡套安装到管子A和管子B的该组对端面外侧，以在该全位置内孔焊接时对焊缝进行气体保护。

工序5：调整起弧点和划分区间

选定7点钟位置为起弧点，根据所选定的起弧点将待焊圆周均分成8个区间。

工序6：设定起弧参数(表1)、焊接过程中8个区间段的电流参数(表2)和收弧参数(表3)，根据表1～表3设定的工艺参数进行全位置内孔焊接，并在焊接过程中外保护气体流量5L/min(99.99％纯氩气保护)，焊枪转动速度为2.3转/min。

表1起弧参数

提前送气时间	3s
		起始电流	45A
起始电流时间	2s
		电流上升时间	0.5s
旋转滞后时间	2s
		峰值电流时间	0.5s
基值电流时间	0.2s

表2焊接过程中不同区间位置的电流参数

表3收弧参数

搭接角度	8°
		电流下降时间	6s
维弧电流	5A
		维弧电流时间	5s
滞后停气时间	4.5s

图1为焊接接头组对后待焊状态，图2为焊接后的内孔焊接头成形。可以看出：焊缝金属呈现出银白色金属光泽，焊缝表面鱼鳞纹均匀细密。

图3为内孔焊接接头纵截面的金相照片，可以看出：虽然是自熔焊，但焊缝没有呈现出明显的内凹，焊缝区域呈现圆滑过渡。

图4和图5分别是同一参数下焊接的6个内孔焊接管，其焊缝区域的表面渗透和射线检测结果图片，检测结果显示按照NB/T 47013标准要求，表面渗透和射线检测均为I级合格。并且分别在四个温度点下，对各内孔焊接头进行了的拉伸试验，结果如表4所示，所有测试温度下接头的屈服和抗拉强度值均超过了标准和技术文件的要求验收值。

表4内孔焊接头拉伸性能

温度℃	屈服强度(MPa)/合格值	抗拉强度(MPa)/合格值
			RT	373/280	802/690
600	231/200	688/566
			650	207/195	615/504
700	219/190	573/456

实施例2

该实施例为管板与换热管的内孔焊接。

所采用的材料类型与实施例1相同，依旧为UNS N10003合金。考虑到管板对焊接热量的传递和吸收能力较强，因此焊接工艺略作调整。

其中，实施例2与实施1的工序1～工序5方法相同，实施例2与实施1的工序6的起弧参数和收弧参数相同，实施例2与实施1不同在于：焊接过程中不同区间位置的电流参数设置不同，如表5所示。

表5焊接过程中不同区间位置电流参数

区间	峰值电流A	基值比例％
			1段	60	45
2段	58	45
			3段	56	45
4段	55	45
			5段	53	45
6段	55	45
			7段	55	45
8段	52	40

本实施例按照所设置的参数焊接后的管板如图6所示。焊接结果显示：按照既定焊接工艺，管板共有36根内孔焊接头，一次性焊接合格率100％。焊缝成型美观，接头质量优异。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，所述换热管的内孔径为9～15毫米，壁厚为1～2毫米；所述方法包括：

根据带有凹槽的管板凸台调整焊枪枪头钨针位置，使得当焊枪插入并处于待焊状态时，所述钨针位于所述管板凸台一侧且与所述管板凸台的待焊端面距离为0～0.5毫米内的位置处，其中，所述换热管和所述管板凸台的材料为镍及镍合金；

将所述换热管与所述管板凸台进行同轴组对，并确保两个组对的待焊端面的间隙为0～0.1毫米内；

选定3～5点钟和7～9点钟位置中的任一位置为起弧点，并设定起弧后上坡焊接；

根据所选定的起弧点将待焊圆周均分成2N个区间，并按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接，其中N为正整数；所述按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数时，调整焊接电流为脉冲形式，设置每个区间的峰值电流均在45～65安培范围内，基值电流与峰值电流之比为35%～50%。

2.如权利要求1所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，

所述全位置内孔焊接为钨极氩弧焊。

3.如权利要求1所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，所述按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

设置脉冲频率为1～3赫兹。

4.如权利要求3所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，N=3或N=4。

5.如权利要求4所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，所述按照推荐的工艺参数设定每个区间的电流参数，对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

起弧前送气2～5秒，调整起弧电流不小于45安培。

6.如权利要求5所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，所述对所述待焊圆周进行全位置内孔焊接时，还包括：

在完成旋转钨针从0到360°的焊接后，将收弧点与所述起弧点错开，继续旋转钨针至370°～390°内进行收弧焊接。

7.如权利要求6所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，其特征在于，所述收弧焊接时，还包括：

调整电流逐渐衰减至4～8安培后，维弧3～7秒，并在熄弧后滞后送气2～5秒。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，所述根据带有凹槽的管板凸台调整焊枪枪头钨针位置之前，还包括：

将所述管板凸台和所述换热管的待焊端口使用有机溶剂清洁，去除端面毛刺，保证待焊端面平齐。

9.如权利要求8所述的小孔径换热管的管子管板内孔焊焊接方法，所述将所述换热管与所述管板凸台进行同轴组对之后，还包括：

将外气体保护卡套安装到所述管板凸台和所述换热管的所述组对端面外侧，以在所述全位置内孔焊接时对焊缝进行气体保护。

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