鈦換熱管與管板焊接的氣體保護措施范文

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摘要：隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，我國對鈦制換熱器的需求量逐年增加。與其他材質(zhì)換熱器不同，鈦換熱器在焊接換熱管與管板接頭時，有嚴格的氣體保護要求，對熔池及溫度超過400℃的焊縫和熱影響區(qū)都要進行惰性氣體保護。在實際生產(chǎn)中，一般通過給鎢極加裝保護氣體噴嘴以及增加管板氣體保護罩的形式實現(xiàn)。在整個管板焊接過程中，需要根據(jù)焊接位置不斷移動管板氣體保護罩，過程冗雜，生產(chǎn)效率低。利用ANSYSWorkbench數(shù)值模擬軟件，模擬鈦管頭焊接過程的溫度場，以溫度場分布為依據(jù)，優(yōu)化傳統(tǒng)氣體保護措施。通過實際焊接檢驗可知，改進后的氣體保護措施效果良好，可以應用于實際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：鈦；氣體保護；數(shù)值模擬；優(yōu)化

鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)良性能，如密度小，比強度高，塑性、韌性好，耐高溫，抗蝕性強等，被廣泛應用與航空、航天、化工設備、車輛工程及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1⁃3]。隨著石油、化工行業(yè)的飛速發(fā)展，鈦及其合金以其優(yōu)越的耐蝕性被廣泛使用，鈦換熱器是石油化工行業(yè)應用較多的設備之一，換熱器中以鈦為主要元件的優(yōu)點在于：鈦的耐蝕性能非常好，鈦換熱管的管壁不必太厚，因此可提高換熱器的傳熱效率；鈦管表層光潔，管內(nèi)不易結(jié)垢，因此鈦換熱器的使用壽命長；鈦的比強度高，相較于其他材質(zhì)的換熱器，鈦制換熱器質(zhì)量輕，體積小，適用性強[4]。鈦換熱器的生產(chǎn)必然會涉及換熱管與管板的焊接問題，這種接頭數(shù)量多，同時對焊接質(zhì)量要求高。傳統(tǒng)的手工TIG焊，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量難以保證，因此自動TIG焊在管板焊接中應用越來越廣泛。在鈦換熱管與管板焊接過程中，焊件處于高溫狀態(tài)，極易吸收空氣中氧、氫、氮、碳等雜質(zhì)元素，降低焊接接頭的塑性及韌性，導致氣孔、裂紋等的產(chǎn)生[5]。因此，在焊接過程中焊縫和熱影響區(qū)溫度高于400℃的部位必須采用高純氬進行氣體保護[6]。目前，在鈦管板焊接中均通過使用帶氬氣噴嘴的焊槍以及增加管板氬氣保護罩的措施進行保護。在焊接過程中，移動焊槍的同時還需要不斷調(diào)整保護罩位置，重復進行保護罩預充氣操作，過程冗雜，成本高，效率低。

1焊接數(shù)值模擬

本文利用應用較為廣泛的數(shù)值模擬軟件ANSYSWorkbench進行焊接數(shù)值模擬，以得到鈦管板焊接過程中的溫度場分布。

1.1模型的建立建立焊接模型時，建立完整的換熱管管板模型進行模擬具有較大難度，因此根據(jù)GB/T151—2014（熱交換器）的規(guī)定，選擇合適的管孔、管板及換熱管結(jié)構(gòu)尺寸，以確保模擬的準確性和可操作性。綜上，確定管板的直徑為Ф55mm，厚度為20mm；換熱管尺寸為Ф25mm×1.5mm，利用ProE三維繪圖軟件繪制模型。

1.2網(wǎng)格劃分及邊界條件的設定將在ProE中繪制完成的三維模型導入ANSYSWorkbench中進行網(wǎng)格劃分，單元類型選擇20節(jié)點6面體單元。

1.3熱源模型及焊接過程的實現(xiàn)為了使模擬更接近真實焊接，選擇雙橢球熱源模型，熱源各參數(shù)參考實際焊接制定。焊接工藝參數(shù)：焊接電流為40～140A，焊接電壓為8～10V，焊接速度為3～4mm/s。

2模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)后處理

在ANSYS中設置焊接數(shù)值模擬所需要的參數(shù)后進行求解。在實際焊接過程中，隨著熱源的移動，每一個點的溫度是不斷疊加的，因此選取焊接熱輸入剛停止后的溫度云圖，如圖5所示，此時，400℃溫度區(qū)域顯然是最大的。在單個管頭焊接過程中，400℃以上的高溫區(qū)域在管板及換熱管表面的傳遞距離是有限的，這一情況結(jié)合鈦自身熱導率低的特點，可以得到合理的解釋。

3氣體保護措施優(yōu)化

3.1優(yōu)化措施思考傳統(tǒng)氣體保護形式是噴嘴加保護罩，鎢極上加裝氬氣噴嘴，其作用是在焊接過程中不斷噴出高純氬保護熔池及焊縫，保護罩預充氬氣，保護管板及換熱管高溫區(qū)域。為了達到傳統(tǒng)氣體保護形式的效果，本文將需要進行額外氣體保護的區(qū)域視為一個圓形來處理，這種方式可依托模擬結(jié)果簡化問題，圓形區(qū)域的直徑取橫縱向最大值15.0mm。傳統(tǒng)保護罩方式不但可以有效保護管板及換熱管表面高溫區(qū)域，同時可以對焊縫進行二次保護，保護換熱管內(nèi)部高溫區(qū)域，達到一個非常好的氣體保護效果。因此，對氣體保護措施進行改進時需要考慮這些問題。綜上，本文選擇加裝一個輔助氬氣噴嘴替代傳統(tǒng)保護罩，為了對焊縫進行二次保護，輔助氬氣噴嘴與鎢極氬氣噴嘴取30°夾角，輔助噴嘴直徑增加至20.0mm，以保證400℃溫度區(qū)域都能得到保護，同時輔助噴嘴的高度相較于鎢極氬氣噴嘴向上調(diào)整2.0～3.0mm，以實現(xiàn)輔助噴嘴向換熱管內(nèi)部噴氣，保護換熱管內(nèi)壁。

3.2焊機的改造及試焊本次改造是基于武漢星光石油化工設備有限公司制造的WZMI-315C管板自動氬弧焊機。3.3試焊結(jié)果分析在鈦換熱管與管板的實際焊接過程中，換熱管、管板及焊縫氣體保護的效果可以通過顏色變化直觀地進行判斷：若焊件呈現(xiàn)銀白色或金黃色，則表示氣體保護效果良好，焊件幾乎沒有發(fā)生污染；若焊件呈現(xiàn)藍色或紫色，則表示有一定程度的污染，但不影響焊件質(zhì)量；若焊件呈現(xiàn)其他顏色，則表示焊件已經(jīng)出現(xiàn)相當程度的污染，焊件不能使用。

4結(jié)論

本文利用ANSYSWorkbench模擬軟件，模擬鈦換熱管與管板焊接過程的溫度場，依據(jù)溫度場模擬結(jié)果提出并設計了一種改進的氣體保護方法。以輔助氣體噴嘴代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣體保護罩，輔助噴嘴可以跟隨焊槍一起行進，無須實時調(diào)整位置，可極大地提高焊接效率，同時節(jié)省一定的生產(chǎn)成本。經(jīng)過實際焊接及檢驗可知，改進的氣體保護措施氣體保護效果良好，可以應用于實際生產(chǎn)。

作者：郭瀟瀟1；張瑩瑩1；高磊1；師瑀1；紀強2 單位：1.遼寧石油化工大學機械工程學院，2.撫順化工機械設備制造有限公司