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一种锆制换热器管板焊接工艺的优化

发布时间:2018-05-04 21:58:00 点击:    

引言

无锡瑞升真空耙式干燥机2018年5月4日讯  我国是世界上锆资源最丰富的国家之一,它的耐蚀性极强,与铌、钽相似,用于强酸和强碱交替的介质中效果是非常理想的[1],特别是在高温盐酸中,比钼、钨、钛、镍都更加适用。相对于标准氢电极电位,锆的标准电极电位为-1.53V,研究表明,在400以下的空气、二氧化碳、氮气和氧气中,锆的表面能够形成一层致密且稳定的氧化膜,对基体金属具有自愈和保护作用,从而使其不受化学腐蚀的侵害,这就是锆材具有超强的耐腐蚀性能的主要原因所在。当然,也正是由于这种超高的活性及与环境气体极强的亲和力,造成了锆材焊接的特殊性。

从金属活性和焊接性来看,锆与钛存在一定的相似性,且比钛的活性更高。因此,在锆制换热管板焊接时,公司转换思维,结合锆材本身的特性,在工业纯钛焊接工艺的基础上,做出了进一步的优化,最终得到了较好的锆材焊接质量。

1 锆特殊的焊接性

应该特别控制焊接母材及焊丝中氮、氧、碳、氢这些元素的含量,而且也要注意焊接部件和焊丝在焊前的清理工作,以防间隙式溶解的元素进入。锆材焊接时,保护气体的纯度应不低于99.998%,而且在350400以上温度时,焊接熔池、冷却中的HAZ区和焊接背部都应置于惰性气体保护之下。锆的氧化物在锆中有较高的溶解度,在焊缝中一般不太会产生夹渣,但是锆的焊缝存在产生气孔和焊接裂纹的可能性,应该避免焊接时的污染。与其他各种工程金属相比,锆的线膨胀系数是最低的,只有5.8 ×10-6/,而钛、铁素体钢和奥氏体钢分别是锆的1.5倍、3倍和4倍,因而采用锆材的焊接件的变形量非常小。锆的弹性模量也很小,仅为100GPa左右,大约是钢和镍的一半,因而采用锆材的焊接件的残余应力也较小。概括来说,锆的焊接性特点有以下几点[2-7]:焊接高温区容易受到空气的污染,容易产生气孔和焊接裂纹,具有低变形和低应力。对于锆材的焊接,焊前清理和气体保护都是至关重要的。

2工艺优化

2.1 焊接方法

考虑到换热管的直径小、壁薄,而换热板的厚度相对较大,焊接时最好采用焊接热输入较小的焊接方法,所以,管板接头的焊接选定为非熔化极钨极氩弧焊[8]焊机采用管板自动氩弧焊机,见图1,设备简单,易于操作,仅需采取适当且有效的防护措施便能确保焊接接头的质量。

图1 管板自动焊机

R60702的对接、管板焊接接头常采用钨极氩弧焊(国际称TIG焊、国内称GTAW焊),其焊接性能良好,电弧稳定无波动,并且较小的焊接线能量,可以避免焊接裂纹,接头组织会更好。采用GTAWR60702,熔深一般都比较小,还不到碳钢的1/2,所以操作时应注意防止根部未焊透。

GTAW焊的保护气体一般为氩气、氦气或两者的混合气体,由于氩气热导率极其小,其又是单原子的气体,在高温条件下不易分解吸热,所以氩气中燃烧的电弧很少会损失热量,一旦电弧引燃了便稳定了,各类保护气体中它的稳定性是最好的,因此,钨极氩弧焊中被用最多的气体也是氩气,用于R60702氩气纯度应不低于99.99%

焊接过程中选用铈钨极,钨极直径为2.4mm,钨极需要打磨成圆锥形,锥度为2025度,打磨长度大约为钨极直径的23倍。在相同参数下,铈钨极弧束较为细长,光亮带较为狭窄,温度更加集中,特别是在直流焊接过程中,阴极的压降降低10%,比钍钨极会更加容易引弧,电弧的稳定性也好[9]

除此之外,焊接前要仔细清理焊件和焊丝,以免生成气孔。同时,焊接我们沿用了之前焊接钛材的气体保护箱的方法,设计了新的气体保护罩,用以保证在400以上的受热区域能够被有效的进行保护。

2.2优化方向

R60702的主要优化方向在于焊接过程中对焊缝和周边母材的有效保护,影响保护效果的因素可分为如下几点,通过分析这些因素也可以使我们接下来更好的选择焊接工艺参数。

1)保护气体的纯度。试验选用不低于的99.99%高纯氩保护气体是应用最为广泛的,也是锆材钨极氩弧焊的最佳气体。目前,国内所生产的氩气基本上能够满足锆及锆合金的焊接。气体中微量水分的含量,或称之为湿量,通常以露点表示,为了保证氩气的低含水量,对氩气提出了露点的要求,一般露点-40。一般保护气体流量越大,层流抵抗流动动气影响能力越强,但也要防止主喷嘴或保护罩内的流量过大而产生的相互间的干扰,气流由层流变成紊流,破坏掉焊接过程的正常进行,因此罩内与主喷嘴氩气流量要互相配合。

2)喷嘴的形状。通过实践证明:锥形部分的喷嘴可起到对气体的缓冲,对保护的作用起到改善。它的直径与气体流量同时增加,那么保护区一定增大,其保护的效果也会好。但采用过大直径的喷嘴,就达不到焊接位置根部,将难以达到或者将影响焊工的视线,同样无法保证焊接质量。锆材焊炬上主喷嘴的内孔应大于不锈钢、铝及铝合金氩弧焊用的喷嘴内孔,但不超过22mm。喷嘴离工件的距离越远,保护效果越差。而距离太近的话则会影响操作者的视线。为了保护可靠,通常会取814mm,以10mm左右为佳。

3)钨极外伸的长度越大,保护效果越差,而反之就越好。伸出的长度应以焊接规范来加以调整,原则是在便于操作的情况下,尽可能地保护好焊缝以及熔池,一般选取钨极直径的1.52倍。

4)焊接的电流对保护效果也会稍有影响,直流正极性氩弧焊比交流氩弧焊稳定,气体保护效果良好,焊缝较为狭窄。交流氩弧焊时,焊缝金属容易被大气所污染。

5)焊接速度发生改变时,通常对保护效果的影响不大,但在焊接锆材这类化学活泼性强的金属时,焊速不应该太快,否则易使正在凝固和冷却的焊缝母材被氧化致使变色。

焊接工艺参数

接头形式为平缝焊接,按照图2要求将管板装配完好,换热管允许的最大伸出长度为1.5mm,换热板管孔处在加工过程中要开2×45°的坡口,手工定位焊两点使之固定,通常选择十二点和六点方面。主要焊接参数见表1

图2 管板装备及其剖面图

表1 焊接工艺参数

4 焊后组织评价

焊缝及热影响区金相组织如图3所示。

图3 金相组织

从图3中可以看出焊缝组织为细板条状α相,HAZ组织为片状α相,组织的结构状态与冷却速度有关,从高温慢冷时,获得稍粗大的板条状α相,快速冷却时,获得细板条状α相,这两种结构应该均为锆马氏体,但它们的形态却不同,虽然这种α相有一定硬脆性,在一定程度上使接头硬度提高,是一种有害相,但这种组织强化作用较小,不会使接头韧性和塑性有明显降低现象[10]

此外,我们利用TESCAN VEGA 3 LM扫描电子显微镜对侵蚀好的焊缝熔合区进行了观察,熔合线清晰可见,如图4

图4 金相组织熔合区扫描电镜图

总结

随着锆制换热器的成功制造,豪迈已经拥有了包括镍基合金、钛、锆在内的多种有色金属的加工制造能力。未来随着制造业的不断发展,我们有信心能够做的更好。


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