一种用于管式换热器中换热管与管板的内孔焊接方法与流程

本发明涉及管式换热器焊接方法领域，尤其涉及一种用于管式换热器中换热管与管板的内孔焊接方法。

背景技术：

管式换热器广泛应用于石油、化工、能源、舰船等工业领域，是目前使用范围最广泛的换热器。换热管与管板的焊接是换热器制造过程的关键环节，换热管与管板的焊接质量直接影响换热器设备的使用和安全。传统的换热器制造工艺主要采用端面焊来完成换热管与管板的焊接，其接头形式为角接，由于换热管与管板之间存在间隙，在使用过程中容易造成间隙腐蚀。此外，这种角焊缝形式的接头应力集中较为严重，换热过程中受冷侧和热侧流体循环冲击后可能出现开裂。基于此，越来越多制造厂开始使用内孔焊的方式来进行换热管与管板的焊接，以提高换热器的可靠性。

近年来，随着工业技术的进步，开发新型、高效、经济和结构紧凑的高可靠性换热器已成为目前换热器研究的趋势，对换热管与管板的内孔焊技术要求也日益提高，主要体现在以下几方面：1、为实现结构的紧凑性和换热的高效性，换热管规格尺寸越来越小，焊接难度、射线探伤难度不断增加；2、使用环境更加严苛，管板厚度不断增加，内孔焊向深孔焊方向发展；3、换热管选材更注重综合机械性能和导热性，管板选材则要求既具有高的强度和加工性，又具有良好的经济性，因此出现了换热管和管板选用不同合金的情况，在焊接时除了要满足良好的焊接工艺性，还要考虑调控焊缝成分和组织，保证接头的各项性能。

然而，由于内孔焊技术发展时间较短，现有的工艺无法完全满足上述要求。例如，cn1792532a通过在管板内孔焊端圆孔周围加工环形凹槽作为应力释放槽，将换热管与环形凸台对接在一起，使用氩弧焊枪插入换热管中对接缝处进行内孔氩弧焊接，由于凹槽的存在，该焊接方法会导致换热器壳程流体内的杂质长时间集聚在凹槽内，最终产生积液腐蚀；同时，使用该方法制备的接头需要将放射源放入管板圆孔内部进行射线检测，而当换热管内径较小、管板厚度较大时，放射源很难放入，因此无法进行射线检测；并且，新型紧凑型换热器选用的换热管尺寸越来越小，管壁越来越薄，使用目前已披露的内孔焊工艺焊接这类换热管时极易出现焊漏、咬边等缺陷；此外，当进行小规格换热管与大厚度管板深孔焊接时，由于焊枪结构限制，只能采用不填丝焊接方式，若换热管与管板材质不同，现有的内孔焊方法均无法实现焊缝成分的人为调控。

技术实现要素：

为解决上述现有的管式换热器焊接中存在的问题，本发明提供了一种用于管式换热器中换热管与管板的内孔焊接方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于管式换热器中换热管与管板的内孔焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、在管板的待焊端面上加工出多个圆柱凸台，并在管板上加工出多个分别贯穿管板至各自的圆柱凸台端面的圆孔，然后在圆孔位于圆柱凸台端面一侧的孔口上加工出一圈内环凹槽，保证圆柱凸台、圆孔和内环凹槽同轴设置；

步骤二、在换热管的待焊端加工出一圈外环台阶，外环台阶的外径和长度分别与内环凹槽的内径和深度相匹配；

步骤三、将换热管的待焊端装配于圆柱凸台的端面，使换热管的外环台阶与圆柱凸台上的内环凹槽相配贴合；

步骤四、使用钨极氩弧焊，将焊炬从管板远离换热管的一侧伸入圆孔内，使钨极位于待焊部位，保证焊炬的定位套与圆孔为间隙配合，启动焊炬使钨极起弧施焊，将焊炬在圆孔内部整体旋转400°完成内孔焊接。

优选的，步骤四中，焊炬采用脉冲电流，基值电流为5～20a，基值时间为50～500ms，峰值时间为50～500ms，焊接速度为60～80mm/min；峰值电流在焊炬旋转角度为0～360°时随旋转角度增大而分区递减，并在焊炬旋转角度为360～400°时匀速降低至零。

优选的，峰值电流在焊炬旋转时按旋转角度变化分区递减，焊炬每旋转90°，峰值电流随之降低5～10a。

优选的，步骤四中，依次对每横排换热管进行焊接，并在一横排换热管焊接完成后进行该排换热管的射线探伤。

优选的，所述的射线探伤为，将射线底片和放射源分别放置于一排换热管焊缝位置外部相对的两侧，曝光后将焊缝投影到射线底片上，完成一排焊缝的射线探伤。

优选的，所述圆孔的直径与换热管的内径相等，换热管的外径与圆柱凸台的外径相等。

优选的，管板上相邻两个圆柱凸台外壁之间的距离不小于3mm。

优选的，圆柱凸台在管板的待焊端面上的高度为6～12mm。

优选的，内环凹槽的内径比外环台阶的外径大0～0.4mm。

优选的，内环凹槽的深度与外环台阶的长度之差不大于1.2mm。

根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中换热管与管板之间采用对接形式，焊前装配简单易操作，工艺适应性强，焊接残余应力小，并且换热管的外环台阶与管板的内环凹槽之间不会留有间隙或槽，避免了间隙腐蚀以及积液腐蚀问题，大大提高了管式换热器的综合性能和使用寿命。

2、本发明中由于在管板上加工了圆柱凸台，再将换热管焊接在圆柱凸台的端面，与现有技术中直接将换热管焊接在管板表面相比，使换热管的焊缝位置与管板表面之间留出了一定的距离，为焊后射线探伤提供了足够空间，探伤时就可以将射线底片和放射源放置于一排换热管焊缝位置外部的两侧，而现有技术中由于焊缝位置与管板表面相重合，就必需将放射源放置在管板圆孔内导致探伤难以进行，因此本发明解决了小规格换热管与大厚度管板深孔焊接时无法进行射线探伤的问题。

3、当换热管与管板材质不同时，通过调整换热管上外环台阶的壁厚，以及调整圆柱凸台上加工出内环凹槽之后的壁厚，可以改变换热管母材和管板母材在焊接熔池中的比例，即本发明通过改变外环台阶和内环凹槽之间的尺寸比例，就能实现焊缝化学成分的人为调控，保证接头的各项性能。

4、本发明使用脉冲钨极氩弧焊进行内孔焊接，峰值电流分区递减，可以保证焊接时焊接热量沿圆周均匀分布，不出现焊漏、咬边缺陷，并通过衰减熄弧避免焊缝表面出现熄弧坑，尤其适用于薄壁换热管与管板的内孔焊接。

附图说明

图1为本发明中管板的结构示意图；

图2为本发明中换热管的结构示意图；

图3为换热管与管板进行内孔焊接的示意图；

图4为峰值电流随焊炬旋转角度的变化示意图。

图中标记：1、管板，2、圆柱凸台，3、圆孔，4、内环凹槽，5、换热管，6、外环台阶，7、焊炬，8、定位套，d1、圆孔直径，d2、圆柱凸台直径，d3、内环凹槽内径，d4、换热管内径、d5、换热管外径，d6、外环台阶外径，l、相邻圆柱凸台的距离，h、管板厚度，h1、圆柱凸台高度，h2、内环凹槽深度，h3、外环台阶长度。

具体实施方式

参见附图，具体实施方式如下：

一种用于管式换热器中换热管与管板的内孔焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、在管板1的待焊端面上加工出多个圆柱凸台2，并在管板1上加工出多个分别贯穿管板1至各自的圆柱凸台2端面的圆孔3，然后在圆孔3位于圆柱凸台2端面一侧的孔口上加工出一圈内环凹槽4，保证圆柱凸台2、圆孔3和内环凹槽4同轴设置。

步骤二、在换热管5的待焊端加工出一圈外环台阶6，外环台阶6的外径和长度分别与内环凹槽4的内径和深度相匹配，具体加工时，优选采用的方案为保证圆孔3的直径与换热管5的内径相等，换热管5的外径与圆柱凸台2的外径相等，管板1上相邻两个圆柱凸台2外壁之间的距离不小于3mm，圆柱凸台2在管板1的待焊端面上的高度为6～12mm，内环凹槽4的内径比外环台阶6的外径大0～0.4mm，内环凹槽4的深度与外环台阶6的长度之差不大于1.2mm。

步骤三、将换热管5的待焊端装配于圆柱凸台2的端面，使换热管5的外环台阶6与圆柱凸台2上的内环凹槽4相配贴合。

步骤四、使用钨极氩弧焊，将焊炬7从管板1远离换热管5的一侧伸入圆孔3内，使钨极位于待焊部位，保证焊炬7的定位套8与圆孔3为间隙配合，启动焊炬7使钨极起弧施焊，将焊炬7在圆孔3内部整体旋转400°完成内孔焊接。

焊炬7采用脉冲电流，基值电流为5～20a，基值时间为50～500ms，峰值时间为50～500ms，焊接速度为60～80mm/min；峰值电流在焊炬7旋转角度为0～360°时按旋转角度变化分区递减，焊炬7每旋转90°，峰值电流随之降低5～10a，保证焊接时焊接热量沿圆周均匀分布，不出现焊漏、咬边缺陷；并使峰值电流在焊炬7旋转角度为360～400°时匀速降低至零，通过衰减熄弧避免焊缝表面出现熄弧坑。

步骤四中，依次对每横排换热管5进行焊接，并在一横排换热管5焊接完成后进行该排换热管5的射线探伤，具体探伤方式为将射线底片和放射源分别放置于一排换热管5焊缝位置外部相对的两侧，曝光后将焊缝投影到射线底片上，完成一排焊缝的射线探伤，再进行下一排换热管5的焊接。

实施例1、本实施例采用的管板原材料为f316ln不锈钢锻件，换热管材质为690tt镍基合金，换热管外径d5为φ12.0mm，换热管壁厚为1.0mm。

s1:将管板原材料加工至厚度为160mm，并在管板上加工多个圆孔，其直径d1与换热管内径d4相等，为φ10.0mm；再环绕圆孔加工出圆柱凸台，其外径d2为φ12.0mm，与换热管外径d5相同，高度h1为10.0mm，管板的厚度h为150mm；接下来在圆柱凸台的端面加工出内环凹槽，其高度h2为0.5mm，内环凹槽直径d3为φ11.2mm，管板上相邻两圆柱凸台的距离l为5mm。

s2:在多个换热管端面加工出外环台阶，外环台阶直径d6为φ11.0mm，外环台阶高度h3为0.5mm。

s3:将换热管的待焊端装配于圆柱凸台的端面，使换热管的外环台阶与圆柱凸台上的内环凹槽相配贴合，并在焊缝位置用氩弧焊点焊三个点进行固定。

s41:将内孔焊炬从管板侧伸入圆孔中，直至钨极位于待焊部位，并使焊炬定位套与圆孔形成间隙配合实现焊炬与管板的定位；内孔焊炬由定位套、旋转轴、钨极组成，定位套可与圆孔形成间隙配合实现焊炬与管板的定位，旋转轴可无限回转，钨极的端部为尖角，尖角角度为30°。

s42:启动焊炬使钨极起弧并整体旋转400°，焊接采用脉冲电流，基值电流为5a，基值时间为100ms，峰值时间为150ms，焊接速度为80mm/min，峰值电流（焊接电流）在旋转角度为0～360°时随旋转角度增分区递减，0～90°时峰值电流为80a，90～180°时峰值电流为70a，180～270°时峰值电流为60a，270～360°时峰值电流为50a，360～400°时均匀由50a降为0a，如此设置，一方面可以保证焊接时焊接热量沿圆周均匀分布，一方面通过衰减熄弧避免焊缝表面出现熄弧坑。

s43:重复s42操作完成一排换热管与管板的焊接，将射线底片布置在该排换热管一侧，放射源位于另一侧，曝光后将焊缝情况投影到底片上，完成一排焊缝的射线探伤。

s44:重复s41～s43操作直至完成所有换热管与管板的焊接。

实施例1的一种换热器中换热管与管板的内孔焊接方法制备的焊接接头为实质上的对接形式，焊接残余应力小，且无间隙和凹槽的存在，避免了间隙腐蚀及积液腐蚀问题。此外，相比于其它内孔焊方法，实施例1将放射源布置在换热管外部，无需将放射源放置在管板圆孔内，解决了小规格换热管与大厚度管板深孔焊接时无法进行射线探伤的问题。进一步地，实施例1将管板材料f316ln和换热管材料690tt在焊接熔池中的比例设置为1：1，可实现接头性能的最佳调控，焊后接头拉伸强度达到f316ln锻件母材拉伸强度，接头压扁性能达到690tt换热管母材水平；实施例1使用脉冲钨极氩弧焊进行内孔焊接，峰值电流分区递减，并通过衰减熄弧避免焊缝表面出现熄弧坑，一次焊接合格率可达98%。

实施例2、本实施例采用的管板原材料为tc4钛合金锻件，换热管材质为ta2钛合金。外环台阶直径d6设置为φ11.5mm，内环凹槽直径d3设置为φ11.7mm，圆柱凸台外径d2设置为φ12.0mm。如此设置，将管板材料tc4钛合金和换热管材料ta2钛合金在焊接熔池中的比例定为大约1：3，可以保证焊接接头具有良好的塑韧性能，避免换热器冷侧和热侧流体循环冲击后接头可能出现的开裂现象，提高换热器的疲劳性能。焊接时基值电流为10a，基值时间为100ms，峰值时间为100ms，焊接速度为80mm/min，峰值电流（焊接电流）在旋转角度为，0～90°时为70a，90～180°时为65a，180～270°时峰值电流为60a，270～360°时峰值电流为55a，360～400°时均匀由55a降为0a。其它要求与实施例1相同。

实施例3、本实施例采用的管板和换热管材质均为unsn06690镍基合金。外环台阶直径d6设置为与换热管外径d5相等，均为φ12mm，亦即不必加工换热管台阶面，可省略本发明技术方案中的s2步骤。内环凹槽直径d3设置为φ12.2mm，圆柱凸台外径d2设置为φ12.5mm。如此设置，是考虑到换热管与管板材质相同，无需进行焊缝化学成分的人为调控，取消本发明技术方案中的s2步骤，可以缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本。采用本实施方式的一种换热器中换热管与管板的内孔焊接方法焊接的换热管与管板焊接接头，焊缝成型美观，经射线探伤检测满足技术要求，各项机械性能均能满足技术要求。焊接时基值电流为10a，基值时间为180ms，峰值时间为250ms，焊接速度为65mm/min，峰值电流（焊接电流）在旋转角度为，0～90°时为100a，90～180°时为90a，180～270°时峰值电流为80a，270～360°时峰值电流为70a，360～400°时均匀由70a降为0a，其它要求与实施例1相同。