CN113814529B - 锆合金管、板间封口焊的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锆合金封口焊，公开了一种锆合金管、板间封口焊的焊接方法，包括以下步骤：在复合管板上加工封口焊坡口，在换热管上加工凹槽，凹槽的位置与坡口的位置相适配；制作与换热管外径和复合管板上坡口尺寸匹配的焊丝卡环，所制作的卡环形式是开口环并成对使用，两个卡环的其中一个用于放入坡口，另一个用于放入所述的凹槽；至少分两批把卡环逐对放进坡口内，同批放入的各对卡环之间至少间隔一个坡口，以手工钨极氩弧焊自熔，以一层焊接方式熔化卡环，逐批完成全部坡口的焊接。本发明仅采用一层焊接，焊接时卡环起到焊接成型的关键作用，不需要使用额外的保护装置，焊接质量好。

Description

锆合金管、板间封口焊的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种锆合金换热器制作，尤其是锆合金管、板间封口焊的焊接工艺。

背景技术

由于锆及锆合金具有优异的耐腐蚀性能，能够抵抗大多数有机酸、无机酸、强碱和一些熔融盐的腐蚀侵害，因此，腐蚀环境中的一些关键部件可使用锆材来提升使用寿命。近年来，锆及其锆合金在化工等领域得到了大量的应用，这对提高产品质量，延长设备使用寿命，降低能耗，降低成本，防止污染，改善劳动条件和提高劳动生产率等方面都有十分重要的意义。

目前锆合金在换热器中的使用越来越广，锆合金复合管板与锆合金换热管间封口焊在焊接过程中，常采用管板开坡口、换热管伸出管板表面的接头形式，焊接方式有手工氩弧焊和自动氩弧焊，目前最常用的坡口形式为V型坡口，但是该种坡口在焊接的过程中，由于连续焊接多层焊接，温度过高，空气容易使锆合金氧化变色，并使得强度和硬度增加，塑性和韧性却降低，从而严重影响焊接质量。

锆是一种化学性质比钛还要活泼的元素， 很容易被气体污染，尤其是在氮气和氢气气氛中。层间温度太高的话锆能强烈地吸收氢，形成ZrH₂,并且非常容易产生氢气孔。因此，在焊接过程中锆合金的焊缝保护效果要高于钛及钛合金,焊接时的各种措施要严于钛及钛合金。为此，现有技术通常是设置专门的焊接保护装置用于此类焊接。例如，公告号为CN203956353U的一种锆管焊接保护罩、CN212311215U的一种锆合金焊接工装、公告号为CN204486985U的锆换热器管口自动焊焊接保护罩。

传统的锆合金封口焊焊接方法是多层焊，每层由于间隔时间太短，容易使锆合金超温度，温度过高，空气中的氧和氮、氢容易进入锆合金，从而带来焊接质量的隐患。应用专用保护罩进行焊接也多少存在操作不便的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：焊接操作不便、质量隐患较大。本发明提供了一种主要在锆合金换热器制作时应用的锆合金管、板间封口焊的焊接方法。发明人注意到换热器上管板和换热管的封口焊接数量大，且换热管直径一致，批量加工焊丝卡环成本较低，同时原有的多层焊接效率较低、质量不易保证，故利用双焊丝卡环并采用一层焊的方式手工焊接成型所述焊缝。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：锆合金管、板间封口焊的焊接方法，包括以下步骤：在板上加工封口焊坡口，在管上加工凹槽，凹槽的位置与坡口的位置相适配；制作与管外径和板上坡口尺寸匹配的焊丝卡环，所制作的卡环形式是开口环并成对使用，两个卡环的其中一个用于放入坡口，另一个用于放入所述的凹槽；至少分两批把卡环逐对放进坡口内，同批放入的各对卡环之间至少间隔一个坡口，以手工钨极氩弧焊自熔，以一层焊接方式熔化卡环，逐批完成全部坡口的焊接。放入同一坡口的一对卡环包括两圈焊丝，在本发明中将其称为双丝环，其所包含的两个开口环采用横截面积和长度均相同的焊丝按相同的弯曲半径弯曲形成，焊接前装入时无须作特别区分，但在装入后将其捏合为闭口环时，两个卡环可能出现其内径并不相等的情况。

焊接时，由于双丝环的横截面积较大，既可采用U型坡口也可采用目前常用的V型坡口，焊枪不需要深入坡口深处，只需要在近坡口表面焊接，在这个位置焊接氩气浓度更大，保护的范围更广，并且视野开阔，这样焊接时焊枪中的氩气可以铺展开来，很好的对焊接时的熔池进行保护，与此同时便于观察焊接情况，及时调整参数及气体流量，避免氧和氮、氢进入锆合金，焊接后能形成饱满的焊缝，能全面提高封口焊的焊接质量，不需要增加额外的专用保护装置。

所述凹槽的作用是定位：根据图纸中管的两端伸出的长度，在管外圆上适宜的位置加工凹槽，卡环卡在凹槽内，从而实现了卡环的定位，保证卡环不从管上脱落，注意远离管端面的凹槽侧壁应稍微高于封口焊的坡口表面，确保后面焊接时熔池的位置适当。

所述的凹槽上面放一个卡环，焊接的时候卡环随着电流的增大而熔化，熔化的同时熔敷金属覆盖了凹槽，由于凹槽的位置高于坡口最低处，从而卡环熔化之后也覆盖了坡口表面，起到密封的作用，保证了焊接的质量，与此同时也能保证封口焊的焊角高度。双丝环的另一个卡环卡入坡口，目的是为了焊接后足量的熔敷金属能形成饱满的焊缝，提高封口的质量。对于使用具有相同横截面积的焊丝而言，两根焊丝比一根焊丝更易实现均匀、完全熔化。

所述的卡环为锆合金焊丝弯曲后截断制成。为控制锆合金在焊接中的温度不至于超温，应以分批焊接的方式，相邻的坡口不能在同一批中依次进行焊接，为确保不会出现错误，同批放入的双丝环相互之间至少间隔一个坡口。

综上，由于采用了根据管尺寸批量定制的卡环，在锆合金封口焊焊接时只焊接一层，在焊接前加入双丝环，焊接时双丝环起到焊接成型的关键作用，只需要焊机上的本身的保护罩，不需要额外增加保护装置，焊接后能形成饱满的焊缝。因为以一层焊接方式熔化双丝环，所以本发明的方法比现有方法焊接效率更高。

经多次试验，宜控制卡环的内径与管的外径之差为2～3mm，保证卡环能顺利闭合，单个焊缝的焊接中始终有足够的熔敷金属，有利于保证焊接质量。

经多次试验，宜控制卡环与坡口底部之间的轴向间隙为0.1～0.3mm，与坡口底部越近越好，卡环熔化的时候能迅速填满坡口间隙，保证焊缝饱满，有利于提高焊接质量。

经多次试验，宜控制凹槽的深度为0.3～0.4mm、凹槽的宽度为0.8～1.2mm，保证焊丝卡环能够可靠地固定在管上。

如前所述，本发明的焊接方法仅采用一层焊接，为保证焊接质量，位于同一坡口内的是两个卡环，优先在接近坡口底部的卡环上起弧，焊丝开始熔化后适当停留，熔池从坡口底部开始填充，然后焊枪摆动靠近另一个卡环，焊丝开始熔化后适当停留一点时间，依次往复循环直至该坡口焊接完成，从而形成完整、饱满的焊缝。

焊丝做成开口环是为了加工方便，降低卡环加工成本，也为了便于向管的凹槽内放入卡环。如前所述，要保证整条焊缝从起弧至焊接完成均有足够的熔敷金属，宜在将卡环放进管的凹槽内后和放入坡口之前，将卡环的开口处捏合而形成闭口环：手动或利用工具使其开口环的两个端头相互靠近至接触或基本接触或略有重叠。如果保持开口环的状态，势必需要确保两个卡环的开口处要错开，在放入卡环后、焊接前，手动调整开口环的开口位置也是可以的，但如果要保证一次焊接合格率，最好是将同一坡口中的两个或一个开口环捏合成闭口环，在焊接完成后卡环变形成为焊缝。

加工U型坡口时，推荐采用直径匹配的钨钢球形刀一次机加成型所述坡口，既能提高坡口加工效率，同时也能有效保证坡口尺寸与卡环的匹配度，有利于保证焊接质量。

本发明的有益效果是：采用卡环完成焊接，首先卡环形焊丝和常规焊丝相比，所需要的熔敷金属用量一致，成本基本一致，不需要额外的费用，但只焊接一层焊缝，单个封口焊坡口使用的卡环为双丝环，一个卡环放入管上的卡槽，另一个卡环放入板上的坡口，与常规焊丝比较其横截面积更大，熔化的时候能迅速填满坡口，温度不会上升很快，很好的控制了温度，焊接质量好，无须额外的保护装置，使用了卡环之后焊接效率高，致密性能好，不需要焊接的时候送丝，只需焊丝具备自熔性就行，操作简单。

附图说明

图1是本发明中将卡环装配后、焊接前锆合金复合管板与锆合金换热管结构的示意图。

图2是换热管上设凹槽的示意图。

图3是卡环的横截面形状示意图。

图4是卡环为闭口环状态的示意图。

图5是卡环为开口环状态的示意图。

图中标记为：1-复合管板，2-换热管，3-坡口，4-第一卡环，5-第二卡环，6-凹槽，D-换热管外径，d-卡环内径，h-轴向间隙, H-凹槽的深度，B-凹槽的宽度，S-高差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

如图1～图5所示，本发明的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，以锆合金复合管板与锆合金换热管采用U型坡口进行封口焊为例，包括以下步骤。

第一步，为保证卡环的尺寸、塑性基本一致，将需要焊接的锆合金焊丝进行弯曲，剪断，形成开口环，如图5所示，卡环是两个环一起使用，一个卡环卡换热管上的凹槽，另一个卡环卡在坡口，其横截面积较常规锆合金焊接使用的焊丝的横截面积增大了，所以在自熔时其具有不高于母材的熔点，焊接时流动性好，具有良好的湿润性和填满间隙的能力，工艺性能优良。卡环的内径d略微大于锆合金换热管的外径D，方便嵌入坡口内，通常卡环的内径d与换热管的外径D之差控制在d-D=2～3mm之间。图1所示为装配在换热管2的凹槽6内的第二卡环5比装配在复合管板1上的坡口3内的第一卡环4距离换热管端面更近的情况，也可以反过来，效果类似。采用两种方式都可以，需要注意凹槽6的开设位置要与预定的装配方式相适应，以达到焊接后尺寸准确的效果。

第二步，在复合管板1上以球形刀机加工方式形成封口焊所需的U形坡口3，球形刀是指通常装配于铣床上刀刃类似球形的铣刀，用于铣削各种曲面、圆弧沟槽；通常选择用于加工锆合金材质的球形刀的材质是超微粒钨钢，刃数为2刃，螺旋角度为30度；球形刀的球头直径为2.5～50mm，方便一次进刀成型。

第三步：如图1和图2所示，在换热管2上加工凹槽6：在换热管2上开一个凹槽6，凹槽6的深度是0.3～0.4mm，凹槽6的宽度为1.0mm，装配后凹槽6的上面部分高度高于坡口表面1.0mm，即二者高差S=1mm。

第四步，焊前清理：去除焊接区域的油、锈和水，用清洗剂对焊接区域及其周围进行清洗，清洗之后，用干风机进行干燥处理。

第五步，放入第一批卡环，用清洁剂擦干净卡环，把卡环卡箍在锆合金换热管2和复合管板1的U型坡口3内，每间隔一个封口焊把一对环放进锆合金封口焊坡口内，手动或用工具将放坡口3内的第一卡环4封闭后放入；另一个第二卡环5在卡进换热管2的凹槽6内后封闭；要将卡环与U型坡口底部的轴向间隙h调整为0.1～0.3mm，合适的间隙使得卡环在熔化后能快速填满周围的间隙，排序是1、3、5、7、9……，依次往下排；

第六步，用手工钨极氩弧焊焊接自熔，焊接电流为100～200A，电压为14～25V，氩气流量为10～22L/min，焊接电流和电压大小根据观察的熔池情况进行调节，焊接过程中进行摆动，将两个卡环均熔化，从第一卡环4上起弧，在钨极起弧之后，瞬间产生能量，达到高温，在引弧点拉弧产生的高温熔化了卡环和锆合金管板，形成高温熔化的焊接熔池，在焊接一圈之后开始凝固成焊缝。依次焊接顺序为1、3、5、7、9……的封口焊直至焊妥。

第七步，放入剩余卡环：在焊接完成后，依次往排序是2、4、6、8、10……的锆合金封口焊坡口内放入卡环，即利用分批焊接防止焊接过程中局部温度过热，影响焊接效果。

第八步，用手工钨极氩弧焊焊接，依次焊接顺序为2、4、6、8、10……的封口焊直至焊妥。

第九步：焊缝打磨至探伤要求。

第十步：探伤检测。

本发明采用一层焊接，焊前的温度控制在20℃以上，由于使用了卡环，加上焊机本身的保护装置，焊接时卡环能起到焊接成型的关键作用，保护熔池不受到空气的影响，避免氧和氮、氢进入锆合金，焊接后能形成饱满的焊缝，能全面提高焊接质量。卡环可自制或委外定制，将焊丝进行弯曲的操作属于现有技术。

经发明人试验，采用本实施例的方法进行焊接，与采用现有技术相比，一次返修率（一次返修率计算公式为：返修长度/焊缝长度）从原10%降低到1%，质量稳定性更高，返修率更低。常规多层焊接方法焊接换热器最多只能两个人同时焊接同一换热器，用本发明的方法最多可以四个人同时焊接同一换热器。但本发明方法也有其缺憾之处：由于焊接过程中需要在两圈焊丝卡环之间往复摆动，这一精细控制动作目前还难于由自动焊机完成。

Claims (10)

1.锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：包括以下步骤：

在板上加工封口焊坡口，在管上加工凹槽，凹槽的位置与坡口的位置相适配；

制作与管外径和板上坡口尺寸匹配的焊丝卡环，所制作的卡环形式是开口环并成对使用，两个卡环的其中一个用于放入坡口，另一个用于放入所述的凹槽；

至少分两批把卡环逐对放进坡口内，同批放入的各对卡环之间至少间隔一个坡口，以手工钨极氩弧焊自熔，以一层焊接方式熔化卡环，逐批完成全部坡口的焊接。

2.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：控制卡环的内径d与管的外径D之差为2～3mm。

3.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：控制卡环与坡口底部之间的轴向间隙h为0.1～0.3mm。

4.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：控制凹槽的深度H为0.3～0.4mm、凹槽的宽度B为0.8～1.2mm。

5.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：位于同一坡口内的两个卡环，优先在接近坡口底部的卡环上起弧，焊丝开始熔化后适当停留，然后焊枪摆动靠近另一个卡环，焊丝开始熔化后适当停留一点时间，依次往复循环直至该坡口焊接完成。

6.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：在将卡环放进管的凹槽内后和放入坡口之前，将卡环的开口处捏合而形成闭口环。

7.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：封口焊坡口采用U型坡口，U型坡口采用直径匹配的钨钢球形刀一次机加成型。

8.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：焊接时，焊接电流为100～200A，电压为14～25V，氩气流量为10～22L/min。

9.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：封口焊坡口采用V型坡口。

10.如权利要求1所述的锆合金管、板间封口焊的焊接方法，其特征是：所述板为换热器的复合管板，所述管为换热器的换热管。

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