钛及钛合金换热管管头焊接质量控制探究

钛及钛合金换热管管头焊接质量控制探究

朱先涛

中核华誉工程有限责任公司 江苏省南京市 211161

摘要：当前，很多换热器设备的换热管采用了钛及钛合金材质的管材，其焊接质量直接关系到设备的使用寿命及使用安全，因此，加强该处管头焊接质量控制管理极有必要。本文基于此，对钛合金换热管及管板的焊接性能做了介绍，分析了其中存在的缺陷，并探究了如何对缺陷部位进行处理，为工作人员开展钛及钛合金换热管管头焊接质量控制提供思路和方法。

关键词：钛合金；换热罐头；焊接缺陷；质量控制

一、钛及钛合金换热管管头焊接质量控制

1.1钛及钛合金换热管的理化特性

钛作为一种稀有金属，被广泛应用于换热器设备，常见的材质包括TA1，TA2，TA10等，以钛作为核心的换热管具有质量轻、密度低、稳定性强、强度高、抗腐蚀能力优异、工艺水准高、抗酸抗碱能力优秀以及机械性能良好等特性。

1.2钛及钛合金换热管和管板的焊接方式

钛合金换热管和管板在焊接时主要采用强度焊及密封焊两种方式。强度焊是指通过增加二者之间的压力来进行焊接，使得换热管和管板通过高强度的外界压力实现连接，强度焊能够有效保障换热管和管板连接的密封性能以及抗拉脱强度。而密封焊则是在进行焊接时使用一些塑封剂，显著提升焊接后换热管和管板连接的密封性能。根据对钛合金换热管管头焊接要求的不同，强度焊的结构和尺寸基本上成正比。

1.3汰换热管和管板结构尺寸的要求

在将钛合金换热管和管板通过焊接的方式进行连接时，需要首先保证管板的厚度符合设计和制造的基本要求，同时需要保证其在12毫米以上，管板管孔的直径以及测量的误差也不宜过大，需要有详细的说明和规定。而换热管在排列时，常见的排列方式包括正三角形排列、倒三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列、转角正方形排列等形式，在进行焊接时，需要根据焊接的实际要求来选择排列方式，并且需要做到换热管的中心距离高于1.25倍的换热管外径。

1.4钛合金换热管与管板焊接缺陷原因分析

换热管管头和管板在通过焊接进行连接时，常见的焊接质量缺陷主要包括咬边、焊瘤、裂缝、弧坑、气孔、未熔合、未焊透以及夹杂等。在完成焊接后，通过目视以及无损检测等手段能够直接或间接的对其中存在的问题进行观察。对肉眼难以检测到的焊接问题，可以借助液压实验以及气密性检测等实验方式来进行检测。钛合金管头在焊接时容易受到碳、氮、氢等元素的影响，倘若氧和氮含量高于预期，那么虽然能够提升钛材料的抗性变能力以及强度，但是会造成其韧性和可塑性的降低。而有研究表明，在进行焊接时过多的吸入氢是造成焊接气孔的主要原因，焊接通常会使得局部温度增加，而在高温状态下钛的吸氢能力显著提升，当焊接完善、局部温度降低后，氢的溶解度也随之下降，溶解于液态金属当中的氢没有及时从钛液态状态下析出，从而导致了气孔的产生。而焊接过程中碳含量的增加会显著提升钛合金的强度，降低其韧性，当碳的含量超过其在液态钛中的溶解度时会生成韧性较低的碳化钛，在焊接部位呈网状分布，增加焊接处出现裂纹的概率。而为了规避上述元素对焊接连接处的影响，在进行焊接时可以采用氩气来对焊接部位进行保护，避免碳、氮、氧、氢等不利元素对钛合金管头及管板的焊接产生质量影响。同时，还需要控制焊缝热影响区的温度在200℃左右，否则会造成焊缝氧化，影响焊接质量及强度。另外，杜宇已经发生氧化的焊接区域，需要及时通过打磨来将其去除，避免影响焊缝的强度及外观质量。

二、钛及钛合金换热管管头焊接质量检测

2.1肉眼检测

肉眼检测，也称为目视检测，就是通过肉眼来对焊缝接头出进行观察，目视检测对检测人员的视力也有要求，在未经矫正或者接受矫正后其近视力及远视力至少需要在5.0以上。在进行目视检查时，肉眼和焊接位置的距离应当保持在60厘米以内，且二者连线的夹角至少需要在30°以上。为了保障检测的准确性，可以在必要状态下应用一些辅助检测工具。举例来说，倘若在检测时外界处于阴天，光线照明效果较差时，可以采用照射光源来提供亮度，而为了避免照射光源直射造成焊接表面出现眩光，需要保持照射光线的方向和观察点达到最佳的角度并且使用和表面反射光相匹配的照度级，使得光源的色温度得到有效优化。

2.2无损表面检测

由于换热管与管板对接焊缝为对接角焊缝，对其进行射线探伤和超声检测十分困难，钛及钛合金不具有磁性，钛表面不能进行磁粉检测，因而管头焊缝多采用液体渗透检测（PT）。

具体操作步骤为∶（1）检测前应对被检测表面进行清洗，去除污垢、灰尘等外来物质，清洗后可采用自然蒸发或强制热风等措施干燥被测表面;（2）被测表面干燥后，用刷涂或喷洒等方式将渗透剂均匀施加在被测表面，施加渗透剂时应保证工作表面温度为5~50 ℃，，可根据工件表面温度或说明书适当延长持续时间;（3）清洗被测表面多余渗透剂，可使用干净无绒毛的材料反复擦拭，直到表面多余渗透剂基本清除后再使用清洗剂清洗表面或使用水直接清洗（需可用水洗的渗透剂）;（4）待清洗表面干燥后，将显像剂均匀喷涂在被检测表面，然后通过观察可对缺陷部位进行判定，发现缺陷后可制定返修方案。

2.3试验检测

上文提到，对于钛合金换热管管头焊接工作来说，焊缝的强度、密封性及焊缝内部是否存在工艺缺陷直接影响着换热器设备的使用安全性、稳定性及使用寿命，因此在完成焊接表面检测之后，需要进一步追加水压试验来进行检测。在检查设备密封效果时，需要将重点放在管头密封性的检查上，焊缝表面需要先进行干燥处理，然后通过肉眼检测是否存在液体外流的情况，在肉眼检测不到时，可以通过手来进行触摸，感觉焊缝表面是否存在液体。倘若发现液体存在，表示焊缝的强度不够。操作不符合技术规范，也有可能是换热管管壁存在裂纹，针对这一情况，可以先对故障部位进行打磨以及补焊，然后再次进行水压试验，倘若检测效果仍不合格，那么就需要更换换热管。

三、结语

综合全文，在进行钛合金换热管管头和管板的焊接时，通过对焊缝质量进行严格把控，能够显著提升操作人员的安全意识和操作水平，同时也有效降低了焊接的故障率，显著提升了生产效率以及生产效益。钛及钛合金换热管焊接是钛合金换热器设备质量和使用寿命的重要环节，有效控制管头焊缝质量能够显著提升设备整体的质量。

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