钛管胀接加焊接工艺

钛管胀接密封焊工艺

考虑连接的强度，密封性，减缓缝隙腐蚀，便于制造加工等要求，换热管与管板的连接一般采用胀接加密封焊的连接结构。由于钛及其合金屈强比大(在退火状态下σ0.2/σb＝0.7～o.9)，延伸率相对较低，选用的管壁又较薄，胀按时管端轻易发生裂纹。为降低管端的减薄量和防止产生裂纹，同普通钢管胀接相比，应选用较小的间隙，较低的胀管率，严格控制管子伸出管板表面的长度。在φ38×1.2钛管胀接中，控制胀管间隙在0.3～0.4毫米，胀管率(管子内径的胀大值对管孔直径的相对百分率)控制不超过0.5％，管子伸出管板表面不大于1.5毫米，经外观查看及试压证实，胀接质量合格。密封焊时应严格清洗管板及管端的待焊部位，控制管端伸出管板高度(φ38×1.2钛管伸出高度0.5～1.5毫米)，采用不填加焊丝的自动或半自动氩弧自熔焊，这样得出的焊缝丰满，高度整齐，成形光滑美观，呈银白色或淡稻黄色的金属光泽。

工业纯钛的使用状态为退火状态，用于工业纯钛设备的焊丝，一般要选用比母材纯度高一个级别的工业纯钛焊丝，TA2多用于换热管。

一、焊接技术要求

钛焊缝表面不得有气孔、咬边、裂纹等表面缺陷，钛焊缝（包括热影响区）表面以银白色、金黄色、局部少量蓝色为合格。

二、钛材焊接所面临的影响

2.1 气体及杂质污染的问题

工业纯钛具有良好的耐蚀性、塑性、韧性、焊接性和较高的比强度，其熔点高达1672℃，在常温下，由于钛表面致密氧化膜的作用，使其性能很稳定。但在高温下具有很强的化学活泼性，随着温度的升高，其化学活泼性会迅速增强。在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右开始吸收氢（生成的TiH2强度很低，对钛的机械性能产生严重影响），从400℃开始吸收氧（提高钛及钛合金的硬度和强度，使塑性却显著降低），从600℃开始吸收氮

（形成脆硬的氮化钛（riN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比氧引起的后果更为严重），这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。此外，碳也是钛及钛合金中常见的杂质。

实践证明，焊接时如果对钛与氧、氢、氮等气体的吸收和溶解不加以控制，最终将导致产品的报废。所以，以上现象的产生，无疑给钛的施焊工作和焊接质量带来了极大的困难和影响。防止气体及杂质污染的工艺措施主要有：

（1）做好焊前准备。严格清洗焊缝表面，杜绝氢、氧、氮的侵入。（2）选用精确的氩气流量计以控制气流量。气体流量的选择以达到良好的保护效果为准，氩气流量大小对保护有着相当的影响，过大的流量不容易形成稳定的气流层，反而在保护区内形成紊流，使有害气体浸入熔池，使焊缝表面容易出现微裂纹。过小的气流使保护不到位，达不到保护效果，拖罩中的氩气流量不足时，焊缝呈现出不同的氧化色泽。

（3）加强焊缝保护。焊接时，不得将焊丝端部移出氩气保护区；断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到100℃以下时方可移开焊枪。

2.2 焊接接头裂纹问题

钛焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易在晶界出现，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。

钛焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间。经研究表明这种裂纹主要是碳、氢的影响及过快的冷却速度所致。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢、碳的来源，焊前对焊缝区域进行保护清理，防止有害杂质玷污。其次，应严格控制层间温度。在保证熔合良好的前提下，尽可能采用低热输入量施焊，即降低熔合比。采用小直径焊丝、低焊接电流、窄焊道技术、快速焊。冷却速度控制在100℃∕s左右最好。

2.3 焊缝中的气孔问题

气孔是钛材焊接是比较容易产生的缺陷，主要原因是由于氢影响的结果。板材、焊材表面不干净，操作者手套上的水分、油脂，角磨机磨下的沙粒、飞尘等都是氢的来源。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。

防止产生气孔的工艺措施主要有：

（1）保护氖气要纯，纯度应不低于99.99%，导气管应用增强塑料管，不能用橡胶管。

（2）彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物。（3）对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。

（4）正确选择焊接工艺参数，增加熔池焊缝金属停留时间，使气泡逸出，可有效地减少气孔。

（5）焊接时采用小的热输入，最好采用脉冲氩弧焊，既可改善接头塑性，减小过热和粗晶、减小变形，又可增加了熔深，减小了气孔的产生。

2.4保护罩的制作

钛材焊接时用的保护罩是十分重要的。一个技能娴熟的焊工，没有一个好的保护罩，即使焊缝焊得再漂亮，焊后全部氧化变色，这道焊缝仍旧是不合格的，而且要报废。

筒体的A、B焊缝的保护罩如图2。这个罩就是对常用的保护罩做了一些改进，在进气管的下面放进去一层不锈钢丝球（超市有售），将其展平，在下面用粗一些的铜丝将网拖住，与罩的边缘点固焊住即可。不锈钢丝球层主要起气筛和分布的作用，使氩气流动更平稳，焊接保护效果更好。然后将制作好的罩放在窗户的玻璃上用嘴在进气口吹一大口气，拿开罩子看玻璃上的蒸汽是否均匀，如不均匀或有出气多的地方要进行修整，直至整个蒸汽面均匀为止。总之，不管做任何形式的托罩，罩子喷出的保护气体应该是层流，而不是束流。

三、胀管器

机械胀接是利用胀管器来完成的,胀管器按进给方向的不同而分为前进胀接和后退胀接两种类型。前者适用于一般换热器及管孔直径小于φ38mm管子的胀接,它的胀杆带有1:25～1:50的锥度,使周向分力小于摩擦力,从而避免了滚柱与胀杆间的相对滑动为使胀管器导入方便,滚柱上设计有一定锥度的头端;后者通常用于深度胀接和直径大于φ38mm的胀接,其滚子的径向胀大是靠胀杆后退拉力实现的,胀管时管子轴向伸长,因此可向外端自由变形,故避免了前进式胀管器给管子连接造成的轴向压应力及变形。机械胀接不仅能承受一定的轴向力、热冲击和反复热循环,而且操作简单、使用灵活,在制造和维修中应用较为普遍。