摘要：用內孔焊結構代替傳統的端面焊結構是提高換熱器管子與管板焊接接頭抗應力腐蝕和縫隙腐蝕穩定性的根本途徑。重點闡述了內孔焊的接頭形式、焊接設備、工藝裝備、焊接工藝參數以及具體實施過程中應注意的問題。
　　關鍵詞： 換熱器內孔焊工藝裝備
　　0 前 言
　　在化工、石油、醫藥、原子能和核工業中，換熱器的應用十分廣泛，其類型與結構也很多。其中管殼式換熱器是最普遍使用的。在管殼式換熱器的設計、制造過程中，換熱管與管板之間的連接質量好壞決定了換熱器的質量優劣和使用壽命。換熱管與管板的連接方法主要有脹接、焊接和脹焊并用。常規焊接結構管子與管板孔之間存在間隙，易產生間隙腐蝕、過熱等問題；焊接接頭處產生的熱應力可能造成應力腐蝕和破裂。脹接結構形式，由于脹接變形存在較大的殘余應力，易產生應力腐蝕，而且在使用溫度較高時，由于材料的蠕變使脹接殘余應力松馳，引起接頭松動或脫落造成泄漏。因此，換熱器管子與管板的連接技術研究一直是國內外技術人員關注的焦點。硫酸塔系統是某公司生產中乙炔氣精制的主要系統之一，其工作原理是利用濃硫酸的強氧化性來氧化乙炔氣中的硫化氫、硫化磷等雜質達到凈化的目的。酸冷卻器是維持塔內物料溫度的關鍵換熱器。換熱管與管板材質為00Crl4Nil7Mo2，換熱管規格為犯5 mm×2 mill。在使用中由于介質的腐蝕性，多次造成管板與換熱管的接頭處發生嚴重的泄漏，因此，考慮選用內孔焊結構，以避免間隙腐蝕造成的失效。
　　1 內孔焊接頭形式
　　從各種文獻資料可知，內孔焊接頭形式有兩類：全對接和準對接。但從焊縫質量控制要求出發，全對接型是最好的選擇。這種結構在使用性能上有很多優點：等厚對接連接承載能力高，應力集中小，抗疲勞性能好，抗應力腐蝕能力強，接頭質量高，確保接頭更安全和可靠，有效保證設備的穩定運行。經過比較，選擇了如圖1所示的無間隙全位置結構形式。
                    
　　2 內孔焊設備殛工藝裝備
　　焊接設備是實現全位置自動T1G焊的關鍵所在。出于焊縫的高質量、高可靠性要求．對焊接設備也提出了很高的要求，因此，采用了EWA306電源和適合于無間隙管板全位置自動TIG焊的專用~t；fL焊槍頭，如圖2所示 內 L焊機的工作原理如圖3所示。
                        
　　程控電源包括焊接電源和微機控制系統，焊接槍頭由調節機構、送絲機構、旋轉機構和特殊焊炬等部分組成。
                          
    2．1 程控電源
    它主要是為焊接提供能量以及進行實時控制EW&306電源是采用德國EWM公司原裝高性能逆變電源模塊制造的新型的智能化的IGBT逆變式直流TIG焊接電源，可根據需要輸出5～300 A的直流或脈沖電流 系統內配置有高性能的Multi—CPU系統，響應速度快，控制精度高，性能穩定，焊接成形及重現性好 同時具有完整的故障檢測和處理機制．多點自動檢測．最大程度保護人身和設備安全以及焊縫質量。微機控制系統針對全位置TIG焊的要求對氣體、電流大小及方式、旋轉 送絲和弧長在焊接過程中進行編程和過程控制。
    2．2 焊接槍頭
    焊接槍頭是該系統的核心，槍頭用平衡器吊于龍門架上．它由定位、特殊焊炬和旋轉系統組成2．B 氬氣保護罩由于該設備管板和換熱管均使用不銹鋼材質，因此．進行“內孔焊”時，應在焊接坡口外側實施氬氣保護，以防氧化和氯化，影響焊縫質量。根據管板“環形圉”布置形式以及管束與殼體的制造和組裝特點．經過比較和論證．最終決定采用圖3所示的氬氣保護裝置為便于裝配和拆卸，該氬氣保護罩制成哈夫結構，使其與換熱管適當緊配合，避免氬氣流外逸，保護不足 設計時，充分考慮了保護罩內空氣的排除、氬氣的流向以及焊縫的熱影響區域。使用時，通過進氣管充入氬氣．將保護罩內的空氣完全排凈后進行“內孔焊”。
    2 4 定位芯軸
    為了確保裝配時換熱管與管板孔的同心度，需要沒計一個專門的定位芯軸(圖4)，根據換熱管內徑與管板孔的實測尺寸設計定位芯軸，要求制造后與換熱
管內徑與管板孔的最大間隙不超過0．15 nⅡn。芯軸定位后，用TIG焊不加絲在連接處外側對稱地定位焊兩點。
                         
    3 焊接工藝參數確定及實施棒
    3．1 焊接程序
    一個焊接接頭的焊接程序，包括按下起動按鈕．提前送保護氬氣，然后送出高頻、起弧，起弧后，在起弧點停留一段時間，用電弧預熱焊接區域以建立起熔池；繼而送出脈沖電流，同時機頭開始轉動，焊接一周后電流在指定位置開始衰減，一定時間后，電弧熄滅，延時送氣特定時間后，機頭停止轉動等，這些程序可以按照預定的參數自動進行。圖5所示為焊接程序示意圖。
                      
    圖中各個符號的含義是：t。。為提前送氣時間，t∞為滯后送氣時間，t。。為預熔時間，，ll為預熔電流，t。 為峰值時間，，。 為峰值電流，f。，為基值時間，，。，為基值電流，Ⅳ．．為焊接電流開始衰減位置，f。 為電流衰減時間， 。為旋轉速度， 。為電弧電壓。
    3．2 焊接工藝參數的確定
    焊接工藝評定是產品制造過程中焊接質量管理的一個重要環節，是編制產品焊接工藝文件的依據。根據上述焊接工藝參數選擇原則，通過多次試驗，選定的
焊接工藝參數見表1。將上述焊接工藝參數輸入到焊接電源的電腦控制系統中，對焊接試件進行施焊，焊后對接頭進行了著色檢查、水壓試驗、金相檢驗、力學性能等項目檢測。焊接接頭經宏觀金相觀察未發現有任何缺陷。加工了兩個拉伸試樣和四個彎曲試樣，試驗結果表明，該接頭具有足夠的強度和塑性，完全滿足使用要求。
    3．3 管束的焊接及質量控制
     管束的焊接是整臺設備的制造重點，為了保證管子與管板接頭的質量。焊接過程中主要采取如下措施：
    (1)焊接管束時，由一名操作員在管板的里側，首先確定好焊槍鎢極對準的位置，使鎢極離開焊口1．2～1．3 innl，然后將焊槍抽出，將管子插入，由管板外側的施工人員用手電筒觀察管子管板的組對情況。
    (2)組對后，將焊槍插入，同時由管板內側的施工人員在管子管板側沿焊口環向將專用的氣體保護罩上好，然后施焊。水壓試驗等無損檢驗合格后，方可進行下一道管口的裝配、焊接。如不合格則應立即返修。
    (3)每根換熱管焊接結束后，用內窺鏡觀察焊口的焊接情況，內側的施工人員觀察是否焊透，只要焊槍的位置準確．焊口組對良好，焊接可保證一次成功，若焊El背面發現未焊透，可提高焊接電流再焊一遍。
    (4)為了施工過程中易于組對，焊接時從下向上焊接，但每焊接兩排，應檢查管板的變形情況，發現變形后，調整管束兩端的加固裝置。
    4 焊接檢驗
    在焊接質量檢驗方面，由于這種接頭形式極難返修，因此，每焊完一個焊縫后，應馬上進行檢驗。對每一個管口依次進行外觀檢查、著色探傷和水壓試驗等無損檢驗，檢驗合格后，方可進行下一道管口的裝配、焊接。如不合格則應立即返修。
    (1)外觀檢查t經檢查焊接接頭內外側均勻，焊道形狀良好，沒有發現焊接缺陷。可以看到焊縫外部成形平滑、美觀、光亮，無可見缺陷。焊縫外部由于采用保護套筒，保護效果很好，焊縫外表面可達到白亮的程度。焊縫內表面均達到了淺黃的顏色，這證明內孔焊有氬氣保護系統是良好的。
    (2)著色檢查：對焊縫表面進行了著色檢查，I級合格，沒有發現任何表面缺陷。
    (3)水壓試驗：利用設計的水壓試驗裝置對每個管板與管子連接接頭逐個進行水壓試驗，無滲漏及異常。
    (4)本試驗共制作酸冷卻器兩臺，每臺有大約1 000個焊ISl，一次焊接合格率達98％，操作過程比較方便。一次驗收合格，現已投入生產使用。
    5 結 論
    (1)采用EWA306電源加專用焊槍的全位置自動脈沖TIG自熔焊，通過管板接口的改進并配合正確的焊接參數及其他工藝裝備能有效解決無間隙內孔焊的焊接問題，成功地制造出設備，實現了換熱管一管板的高質量連接。
    (2)生產裝置中管接頭腐蝕泄漏失效問題有望得到解決，大大延長設備的使用壽命，減少了因停車堵管造成的經濟損失。
   (3)實踐表明，管子管板內孔焊對解決管與管板接頭的應力腐蝕破裂具有顯著的優越性，使設備的壽命大大延長，質量提高，工作穩定，使用可靠。但是由于制造和檢驗較復雜限制了其應用范圍，隨著核工業、石油化工和動力工業發展對熱交換器、蒸發器等設備的越來越高的質量要求，以及制造技術的提高和檢驗手段的簡化，內孔焊接必將得到更廣泛的應用。