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哈雷釬焊板式換熱器
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高壓換熱器管子管板自動脈沖鎢極氬弧焊

點擊:1581 日期:[ 2014-04-26 22:06:13 ]
                                高壓換熱器管子管板自動脈沖鎢極氬弧焊                                       王天先   徐紅   雷萬慶                  (蘭州蘭石機械設備有限責任公司焊研所,甘肅蘭州 730050)     摘要:通過對高壓換熱器管子 管板自動脈沖鎢極氬弧焊的焊接特性、規范參數的確定、操作要領、影響熔深因素以及在生產實踐中的應用等介紹,說明該焊接方法應用于高壓換熱器管子 管板全位置焊接是完全可行的。     關鍵詞:換熱管;管板;連接接頭;自動脈沖鎢極氬弧焊;焊接規范     中圖分類號:TG444.74;TQ051.3    文獻標志碼:B     管子 管板自動脈沖鎢極氬弧焊不僅可以保證換熱管與管板焊接連接接頭具有足夠的強度和良好的成型,同時也可以滿足用戶對產品質量提出的更高要求。文中對其焊接特性、焊接規范的確定、焊接操作技術、影響熔深的因素及焊接時的注意事項作一簡單介紹,供同行參考。     1 脈沖鎢極氬弧焊     1.1 焊接特性[1]     (1)氬氣特性 氬氣不易電離,故引弧時要求較高的電弧電壓,而該設備通過高頻引弧使氣隙擊穿而引燃電弧。氬氣的熱容量和導熱系數小,弧柱區容易保持在高溫狀態,故電弧一旦引燃便能在較低的電壓下穩定燃燒。     (2)焊接電源種類和極性 直流反接時,工件接負極,鎢極接正極。陰極斑點在熔池附近及工件表面的活動范圍大,散熱強,電子發射能力減弱,電弧穩定性較差。同時鎢極發熱量大,使鎢極燒損嚴重,所以許用電流小。直流正接時,工件接正極,鎢極接負極。陰極斑點在鎢極上比較穩定,電子發射能力強,電弧穩定,可用較大的許用電流,鎢極燒損小。因此,高壓換熱器管子 管板自動脈沖鎢極氬弧焊時采用直流正接。     (3)焊接特點 ①采用了較高的而持續時間又較短的脈沖電流(又稱峰值電流)和較小的基值電流(又稱維弧電流),故可使平均焊接電流值保持在較低的水平。②在不增大焊接熱輸入量的條件下,高的脈沖電流可以增加熔深,使母材充分熔化,改善熔透情況。③調整基值電流的大小和基值時間則可以控制熔融金屬的表面張力和凝固速度。④采用脈沖電弧還可以增加電弧的軸向穩定性,加強對熔池的攪拌作用,有利于管子 管板的全位置焊接和改善焊縫的結晶組織,并有利于消除氣孔。⑤由于平均焊接電流小,故焊接熱輸入量較小,熔池尺寸小,熱影響區窄。因此,適用于管子 管板全位置焊接。     1.2 脈沖鎢極氬弧焊管子 管板焊機     1.2.1 功能介紹     (1)焊機組成 主要由EWA306全位置程控自動管焊電源、PT80管板全自動TIG焊接機頭和COOL70U40冷卻水箱組成。     (2)適用范圍 適用于一般管板形式的自動化焊接,可焊接碳鋼、不銹鋼等各種管子 管板接頭型式(包括平齊端接、伸出角接、內縮角接和內孔對接)。管子直徑為Φ16~Φ80mm,可選擇填絲或自熔兩種方式。     (3)自動調節弧長功能 該焊機配置的自動弧長控制裝置,可以通過電弧電壓信號反饋原理自動校正電弧電壓,以保持鎢極與焊面的穩定間距來達到自動調節弧長的目的。同時還可以關閉自動弧長控制功能,通過該裝置上的手輪來手動調節弧長,并通過RTC01線控器進行模擬焊接、程序號選擇、送絲選擇、送絲速度的調節、焊接衰減、焊接電流以及焊接速度的調節等。     (4)焊接參數的預置 可通過控制面板進行不同焊接參數的預置,可存儲50個程序,并可分區設置不同焊接位置的參數,以避免上、下坡位置時產生焊接缺陷。     1.2.2 主要技術參數     該焊機主要技術參數如下:主配電源為EWA306型全位置程控電源,焊槍的旋轉速度為0.3~6r/min,弧長調節間距為20mm,焊炬傾斜角度為-15°~25°可調(標準位置-15°、-5°、0°、5°、15°、25°可重復定位),機頭代碼R為28,特別系數C為48.5,最大焊接電流為300A,最大送絲速度為180mm/min,焊絲直徑為Φ0.8mm(可選Φ1.0mm)焊接保護氣體為氬氣(質量分數為99.99%),冷卻方式為水冷(冷卻水流量不小于450mL/min)。槍頭角度-15°時,可焊管子直徑為Φ25~ Φ80mm(內縮角接);槍頭角度0°時,可焊管子直徑為Φ16~ Φ80mm(平齊端接);槍頭角度15°時,可焊管子直徑為Φ16~ Φ80mm(伸出角接);槍頭角度25°時,可焊管子直徑為Φ16~ Φ54mm(伸出角接)。     2 高壓換熱器管子與管板接頭型式     高壓換熱器對密封性要求較高,且大多使用在承受振動、疲勞載荷及有間隙腐蝕等場合。按照文獻[3]中附錄B的要求,所有受檢查剖面角接接頭的H值不得小于管壁厚度的1.4倍。因此,該種換熱器換熱管與管板的連接常采用強度焊+貼脹的連接方式[2,3]。     3 焊接規范參數的確定     3.1 峰值電流和峰值時間     高的峰值電流和低的基值電流相配合,既可獲得較大的熔深而又保持較小的焊接線能量,熔池體積小,熔滴過渡和熔池金屬的加熱是間歇性的,故不易發生淌流。高的峰值電流還可以增加熔滴的過渡力,在管子 管板全位置焊接時都能迫使金屬熔滴沿著電弧軸向過渡。峰值時間短對熔池金屬有一定的振動攪拌作用,可改善熔池的結晶組織,并有利于排除氣孔。     經過大量的焊接試驗得出Φ19mm×2mm、Φ19mm×2.5mm不銹鋼管子焊接時的峰值電流為130~180A,峰值時間為0.2s。     3.2 基值電流和基值時間     基值電流的大小反映了焊接電流的波動值,起著維持電弧穩定燃燒的作用,并直接影響熔池金屬的冷卻和結晶。基值電流的主要作用是在峰值電流間斷期間,維持焊絲與焊接熔池之間的電離狀態,保證脈沖電弧復燃穩定。同時預熱母材和焊絲,使焊絲端部有一定的熔化量,為脈沖期間熔滴過渡作準備,并可用來調節電弧功率和焊接線能量。基值時間與脈沖特點有很大的關系,若基值時間過長,脈沖焊的特點就不明顯。甚至在脈沖停歇期間也有熔滴過渡,使熔滴過渡失去可控性。基值時間過短,在脈沖電流停歇期間,焊絲的熔化量不足,熔滴過渡也往往是無規律的,同時電弧引燃也較困難。     通過試驗確定Φ19mm×2.0mm、Φ19mm×2.5mm不銹鋼管子焊接時,基值電流為45~65A,基值時間為0.2s。     3.3 脈沖頻率     脈沖頻率是通過改變峰值電流和基值電流的持續時間來進行調節的。如果送絲速度增大,則需要選擇較高的脈沖頻率,反之脈沖頻率得低一些。對于一定的送絲速度,脈沖頻率增加,熔滴較細;脈沖頻率降低,則熔滴較粗。脈沖頻率過低,脈沖之間的間歇時間較長,可造成焊縫周圍與管板金屬熔合不良等缺陷。當提高焊接速度(旋轉速度)時,必須增加脈沖頻率,否則兩點之間的間隙大,影響管板焊接接頭質量與成型。脈沖頻率還影響著焊縫的熔深,脈沖頻率高,熔深也較大,所以焊接較厚管壁時,應相應增大脈沖頻率。     3.4 鎢極直徑和形狀     一般應根據焊接電流和鎢極的許用電流選擇鎢極直徑,焊接電流不得超過鎢極的許用電流,否則會使鎢極因過熱而熔化、蒸發,造成電弧不穩定并引起焊縫夾鎢。該焊機所用鎢極直徑一般為2.4mm。鎢極端部應磨成錐形,錐頂應磨成具有一定直徑的平行臺,錐度及平臺直徑隨著鎢極直徑的增大而增大,該焊槍鎢極平臺直徑為0.5mm。具有錐頂平臺的鎢極,焊接時電弧穩定,能量集中,鎢極端頭不易熔化燒損。     3.5 送絲速度     在一定的送絲速度下,當增加峰值電流時,應相應減小基值電流值,反之則增加基值電流值。這是因為等速送絲時,為使弧長不變及規范穩定,焊絲的熔化速度必須等于送絲速度。焊絲的熔化速度由峰值電流與基值電流值疊加而成的總焊接電流所決定。顯然,要滿足焊絲熔化速度等于送絲速度,總的電流值應維持不便。送絲速度太快,使弧長壓得太短,焊絲與工件間易短路并粘絲;若送絲速度過慢,會使電弧拉長而燒損管口或斷弧。送絲速度的大小應根據管子壁厚、峰值電流和基值電流的大小來確定。     3.6 焊接速度(旋轉速度)    如果焊接速度過快,灼熱的焊接區可能來不及冷卻就脫離保護區而被氧化,而且空氣對保護氣流的側向壓迫也增大,使氬氣保護效果變差,并易造成未熔合和未焊透等缺陷。焊速過慢,易使焊接接頭過熱,并易使管頭燒損,影響焊縫成型及接頭質量。焊接速度一般為60mm/min。     3.7 氬氣流量     氣體流量增大,可增加氣流挺度,提高抗外界干擾的能力,但流量過大,保護層氣體會產生不規則的流動,使電弧不穩定,甚至破壞保護層氣流而將空氣卷入電弧區。氣體流量的選擇,通常以使保護氣流產生層流時的最大氣體流量為準。     3.8 電弧電壓    電弧電壓增大,熔寬稍有增加,熔深減小。若電弧電壓過大,易燒損管頭形成未焊透,并影響氣體保護效果;電弧電壓過低,易造成焊縫凸起、短路、產生未熔合等缺陷。通常在使電弧不短路的情況下,盡量減小電弧長度進行焊接,這樣電弧較穩定,熔深也增加,并不易燒損管頭。電弧電壓一般為9~12V。    3.9 鎢極伸出噴嘴長度     鎢極伸出噴嘴長度一般為7~12mm。若伸出長度過短,無法起弧,若伸出長度過長,影響氬氣保護效果,使焊縫起皺,表面出現黑影,并易燒損鎢極和浪費氣體。     4 焊接操作要領     焊接開始前根據管子直徑選擇相應的芯桿定位器插入管子內,按照焊接工藝指導書在控制面板上進行參數設置或進行程序號選擇。該設備通過預送氣和滯后斷氣對焊接區域、焊縫、鎢極以及焊絲端頭進行保護。又通過預熔電流和預熔時間對母材、焊絲端部進行預熱,使焊絲端部有一定的熔化量,為脈沖期間熔滴過渡作準備。焊接前應調整焊絲、鎢極的角度及距離,這一點對管頭焊接能否焊好至關重要。一般鎢極離管壁為2mm,焊絲離鎢極前端和下方各2mm。可通過手動送絲和滑桿上下按鈕進行預演。焊絲要平直,如果過于扭曲,會使送絲不穩,并造成焊絲伸出長度的變化,影響熔池尺寸的控制以及擾亂氣流和接觸鎢極,影響氣體保護效果和污染鎢極。引弧位置一般選在時鐘11點位置,該焊機可通過高頻引弧圈引弧,使鎢極與工件間保持一定間隙,不會損傷鎢極尖端和引起焊縫夾鎢。通常電流開始衰減位置在367°,電流衰減時間為2s,停止送絲位置在364°,焊絲回抽時間為0.2s,但焊絲不能脫離氬氣保護區,以免焊絲端部被氧化。可通過電流衰減機構自行斷弧,使弧坑填滿,且收弧區處于氬氣保護區,以避免產生裂紋和氣孔。     5 熔深H影響因素     5.1 影響H值增加的因素     按文獻[3]中附錄B要求,所有受檢查剖面角接接頭的熔深H值不得小于管壁厚度的1.4倍。因此,H值是保證高壓換熱器管頭焊接質量的重要因素。為保證其質量,有必要對增加熔深的影響因素做一說明[1,3]。     (1)增加焊接電流,減慢焊接速度,使電弧長度變短,均能達到增加熔深的目的。     (2)由于奧氏體鋼導熱系數和導溫系數都小,在同樣焊接條件下,其熔深要比鐵素體、珠光體類結構鋼小20%~30%。     (3)熱源的能量大多是通過液態金屬層而傳遞給固態金屬,液態金屬層越厚,能量的損失就越大。對上坡焊,液體從電弧底下流開,熔深提高。     (4)熱流密度提高有利于熔化區深度的增加。     (5)距離中心越近,熔深越淺。這是由于盡管轉速不變,但是線速度加快,線能量減小而引起熔深下降。     (6)上坡焊熔深逐漸增加,下坡焊熔深減小。在同樣的規范條件下,上坡焊時液態金屬由于重力作用而下垂,使脈沖電弧能更好地接近母材表面,熔深增加。而且電弧離孔的距離近,不銹鋼導熱差,隨著焊接過程的進行,母材溫度在逐漸上升,這也使熔深略有增加。下坡焊時,液態金屬下垂,使電弧不能很好地接近母材表面,熔深下降。     (7)在同樣的工藝及規范下,噴嘴與管子軸線之間的角度和鎢棒離工件距離越小,熔深越大。因為噴嘴角度越小,電弧中心與母材的相對位置越好,能量散失少,熔深增加。鎢棒離工件距離短,能量集中,熔深也增加。如果噴嘴角度為0,則厚的管板熔化少,影響接頭性能。鎢棒離工件距離太小容易被粘住。一般噴嘴與管子軸線之間的角度為10°~15°,鎢棒離工件1.5~2mm。     (8)焊接熱輸入量增加,熔深增大。但不能無限制地增大焊接熱輸入量來增加熔深,因焊接熱輸入量過大,易使晶粒粗大脆化,抗熱裂性差,耐腐蝕性變差。     (9)在同樣的規范及工藝下,脈沖間隙小可使脈沖電弧更好地接近母材表面,脈沖電弧能將液態金屬迅速排開,故熔深可以提高。尤其在較大線能量時,液態金屬較多,脈沖間隙小才能將其排開,這時的脈沖間隙對熔深的影響較為突出。不銹鋼粘度大,如脈沖間隙大,難以使液態金屬排開,導致熔深增加困難。     (10)在全位置脈沖焊中,0Cr18Ni9Ti密度、粘度較大,導熱性差,在同樣線能量下,液態金屬下垂較多,阻止電弧很好接近待熔表面,使脈沖電弧難深入母材內部,從而使熔深變淺。     6 結語     為了更好地保證管子 管板連接接頭質量,在焊接時還需要注意以下事項:①管子、管板表面要干凈,不能有油銹、污物。管口要平整、無毛刺,且伸出管板長度一致為4~5mm,不能過短或過長。②焊接參數設置確定后,要鎖定程序鎖,以免他人修改參數,造成不必要的麻煩。③要隨時注意氣和冷卻水的暢通,水不足時要加足(最好是蒸餾水)。④焊接時出現故障,應按緊急按鈕,檢查修理后再進行焊接。⑤焊接時若出現未熔合以及沒有焊好的焊縫,可以從沒有焊好處重新補焊,到達焊好位置時,按電流衰減開關斷弧。⑥也可以進行不填絲焊,把送絲開關打向關,其余程序不變。⑦電源極性為直流正接。⑧裝焊絲時,焊絲端部應磨圓滑,以免焊絲刺破送絲軟管。到目前為止,采用上述管子 管板的焊接接頭工藝,已經先后完成了60多臺碳鋼、不銹鋼等換熱器管板與管子接頭的自動焊焊接,其水壓試驗無一發生泄漏。     參考文獻:     [1] 陳大雄.管子管板的自動焊接[J].煉油化工機械,1984,13(2):31 37.     [2] 陳永寧.管子 管板先焊后脹工藝性能比較[J].壓力容器,1986,3(1):40 45.     [3] GB151-1999,管殼式換熱器[S].(許編)
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