刁志鋒，楊樹彪，黃仁龍，嚴(yán) 華，顧芝敏

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 江陰分院，江蘇 江陰 214434；2.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰 214444)

雙管板換熱器A-TIG焊焊炬研制

刁志鋒1，楊樹彪1，黃仁龍1，嚴(yán) 華2，顧芝敏2

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 江陰分院，江蘇 江陰 214434；2.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰 214444)

研究開發(fā)了一種雙管板換熱器A-TIG焊焊炬，在該焊炬中，對焊炬旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、導(dǎo)電嘴和噴嘴進行了特殊設(shè)計，調(diào)整鎢棒安裝系統(tǒng)，通過合理的加工裝配，解決了雙管板換熱器中內(nèi)側(cè)管板與換熱管的連接難題。試驗證明，該焊炬結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，實用性強，滿足實際焊接要求。

A-TIG焊；雙管板換熱器；焊炬

0 前言

換熱器在國民經(jīng)濟中特別是石油化工、電力、太陽能領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。近幾年來，隨著國際太陽能產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對多晶硅的需求大大增加，出現(xiàn)了很大的市場缺口，而雙管板換熱器是制造多晶硅的核心設(shè)備，目前雙管板一般均采用脹接(機械脹或者液壓脹)方法來保證密封，但是受到管子直徑、厚度以及U型管等因素的影響，管子直徑越小，管子壁厚越厚，脹接就越難實施，隔腔筒體長(達(dá)到500 mm)不易脹接，風(fēng)險較大，且脹接后容易泄漏，一旦泄漏將會給企業(yè)帶來巨大損失。為此考慮從焊接的角度來解決雙管板內(nèi)側(cè)管板與換熱管的連接難題，而普通的氬弧焊槍由于空間和位置的限制而不能實現(xiàn)焊接，所以需要研制一把能伸入內(nèi)側(cè)管板進行焊接的焊炬來滿足焊接的要求。

1 雙管板換熱器管板連接

目前，換熱管與管板的連接方式有脹接、焊接、脹焊并用等型式。

1.1 脹接

脹接是利用脹管器插入管口旋轉(zhuǎn)，將穿入管板孔內(nèi)的管端部脹大，使管子達(dá)到塑性變形，同時管板孔被脹大，產(chǎn)生彈性變形。脹管器退出后，管板彈性恢復(fù)，管子與管板的接觸表面產(chǎn)生很大的擠壓力，使管子與管板牢固地結(jié)合在一起，既能密封又能抗拉脫力。脹接適用于無劇烈振動、無過大的溫度變化、無嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕的場合。由于管子與管孔緊密貼合，可使管接頭減少介質(zhì)腐蝕，且能承受拉脫力[1]。

1.2 焊接

換熱管和管板之間的焊接有端面焊接和深孔焊接兩種結(jié)構(gòu)類型。端面焊屬于不完全熔焊，按其使用要求不同，其施焊深度分為：(1)強度焊接(保證換熱管和管板之間的連接強度)；(2)密封焊接(僅起密封作用)。端面焊接接頭具有焊接容易、外觀檢查與維修方便等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。但管子與管板之間存在間隙，在腐蝕性介質(zhì)場合中使用，易產(chǎn)生間隙腐蝕。

1.3 脹焊并用

當(dāng)溫度和壓力較高，且在熱變形、熱沖擊、熱腐蝕和流體壓力的作用下，換熱管與管板連接處極易被破壞，采用脹接或焊接均難以保證連接強度和密封性的要求。目前廣泛采用的是脹焊并用的方法，試驗證明，脹焊并用能提高接頭的抗疲勞性能，可以有效地消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高其使用壽命。另外脹焊結(jié)合，管程介質(zhì)對管板的傳熱面積比殼程介質(zhì)對管板的傳熱面積大許多倍，尤其是厚管板的情況，可減少管板兩側(cè)的溫度差，減少管板翹曲，利于管板密封的可靠性[2]。

2 A-TIG焊焊炬設(shè)計

2.1 總體要求

由于雙管板換熱器管板焊接空間位置所限，普通焊槍無法達(dá)到，無法進行內(nèi)孔全位置焊接，因此，要求設(shè)計的焊炬能適應(yīng)狹小管內(nèi)空間，且功能齊全，總體要求為：(1)靈活輕巧的結(jié)構(gòu)，良好的工藝可達(dá)性；(2)良好的冷卻系統(tǒng)；(3)焊接時焊接區(qū)有效的氣體層流保護；(4)可靠的電流通道、導(dǎo)電接觸和絕緣性能；(5)全位置焊接自動控制，良好的穩(wěn)定性；(6)方便的日常維護、維修和保養(yǎng)。

2.2 焊炬旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，采用進口的空心軸直流伺服電機，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無級調(diào)速，并且所有的水、電、氣的管路均無纏繞。通過空心軸直流伺服電機減速器帶動一對齒輪使焊炬旋轉(zhuǎn)，可以按全位置焊接工藝分區(qū)間設(shè)定工藝參數(shù)，以適應(yīng)不同位置的工藝需要，焊接電源根據(jù)焊炬焊接時的不同位置設(shè)定該電機各參數(shù)，來控制各區(qū)間的焊接速度，以達(dá)到滿意的焊接效果。

2.3 焊炬氣路和水路系統(tǒng)設(shè)計

在管板自動焊中，可采用氬氣、氦氣和混合氣體作為保護氣體，由于氦氣比較稀缺，提煉困難，價格昂貴，國內(nèi)使用較少，通常使用氬氣。氬氣幾乎不與任何金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也不溶于金屬中，其密度比空氣大，比熱容和熱導(dǎo)率比空氣小，故氬氣具有良好的保護作用，并且穩(wěn)弧特性良好。因此，采用氬氣作為保護氣體。焊槍氣路系統(tǒng)通過進氣管通入純凈的氬氣，進氣管通過腔體后進入導(dǎo)電嘴，通過專門設(shè)計的導(dǎo)電嘴把保護氣體送入電弧區(qū)，起到良好的保護作用和穩(wěn)弧作用。而水路系統(tǒng)則采取循環(huán)水強制冷卻方式，由進水管通過腔體冷卻焊槍和鎢極。

2.4 焊炬電路系統(tǒng)設(shè)計

焊炬電路系統(tǒng)是通過將焊接電纜裝入通水軟管中做成水冷電纜的方式來實現(xiàn)的，在水管中穿入焊接電纜可以大大提高電流密度，減輕電纜質(zhì)量，使焊槍更加緊湊、輕便。焊接電纜在水中通過進水管到達(dá)導(dǎo)電嘴和鎢棒，然后在換熱管內(nèi)壁引弧焊接。該系統(tǒng)采用直流正接，即工件與電源正極相連，鎢棒與電源負(fù)極相連，電弧燃燒時，弧柱中的電子流從鎢極流向工件，正離子流流向鎢極，因為工件為陽極，接受電子轟擊放出的全部動能和逸出功，電弧比較集中，陽極加熱面積小，易獲得窄而深的焊縫，此時，鎢極的熱電子發(fā)射能力比較強，電弧比較穩(wěn)定，鎢極發(fā)射電子的同時，具有很強的冷卻作用，所以鎢極不會過熱，燒損極少，允許通過的電流比反接時大很多。

2.5 導(dǎo)電嘴和噴嘴的特殊設(shè)計和材料選用

導(dǎo)電嘴的作用是將電流傳導(dǎo)給鎢極，根據(jù)工況要求，導(dǎo)電嘴必須具有耐熱、耐磨、導(dǎo)電性能好的特點，而鉻鋯銅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、較高的硬度、耐磨抗爆的特點，非常適合做導(dǎo)電嘴、電極帽等，因此，選用鉻鋯銅作為焊槍導(dǎo)電嘴的制作材料。在此還對導(dǎo)電嘴進行了特殊設(shè)計，在導(dǎo)電嘴側(cè)壁開孔以便于鎢棒垂直安裝，在導(dǎo)電嘴頂部用固定螺栓固定連接鎢棒，并在導(dǎo)電嘴上均勻開孔，以利于氣體流出，達(dá)到很好的保護效果，通過這樣的巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了雙管板的A-TIG焊接。導(dǎo)電嘴示意如圖1所示，導(dǎo)電嘴實物如圖2所示。

圖1 導(dǎo)電嘴示意

噴嘴的材料有陶瓷、純銅和石英三種。純銅噴嘴使用電流可達(dá)500 A，但需用絕緣套將噴嘴和導(dǎo)電部分隔離；石英噴嘴較貴，但焊接時可見度好；高溫陶瓷既絕緣又耐熱，應(yīng)用廣泛。

圖2 導(dǎo)電嘴實物

在雙管板換熱器管板焊接中，換熱管內(nèi)空間狹小，由于受到管子直徑的限制，焊槍直徑遠(yuǎn)小于換熱管的內(nèi)徑，焊槍本身采用金屬腔體，需要通水、通氣、導(dǎo)電等作用，而焊槍進入管子后與管壁之間的距離非常小，焊接時容易被高頻電擊穿，所以，在焊槍的外表面需要絕緣不導(dǎo)電。換熱管內(nèi)空間狹小，焊接時會產(chǎn)生高熱量，一般溫度在1 500℃左右時常規(guī)的絕緣體就要熔化，尤其是陶瓷噴嘴容易熔化和開裂。針對這一問題，采用氮化硅材料作為結(jié)構(gòu)陶瓷材料，這種材料在空氣中加熱到1 000℃以上急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。利用氮化硅這種耐高溫、絕緣的性質(zhì)來保證焊接的順利進行，且不易被高頻電擊穿。噴嘴實物如圖3所示。

圖3 噴嘴實物

2.6 鎢棒安裝系統(tǒng)設(shè)計

雙管板換熱器要求從管子內(nèi)側(cè)進行焊接，因此，要調(diào)整鎢棒的位置，使鎢棒垂直于管子內(nèi)壁，焊接時，電弧在管子內(nèi)壁產(chǎn)生。設(shè)計的鎢棒安裝系統(tǒng)如圖4所示，導(dǎo)電嘴與鎢棒實際連接如圖5所示。鎢棒垂直安裝在導(dǎo)電嘴上，導(dǎo)電嘴上用固定螺栓固定連接鎢棒，使鎢棒與槍管垂直布置。

3 焊炬的加工裝配和焊接試驗

3.1 焊炬的加工裝配

根據(jù)雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計的焊炬總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要由進氣管、進水管、出水管、黃銅連接塊、絕緣環(huán)、外定位套、熱塑管、內(nèi)定位芯、導(dǎo)電嘴、鎢棒、陶瓷噴嘴、鎢棒固定螺栓和腔體等組成。在焊接過程中，由進氣管通入純凈的氬氣，以起到良好的保護作用；由進水管通入純凈水，并由出水管輸出，使水不斷循環(huán)，達(dá)到冷卻焊槍的目的；黃銅連接塊起到固定進氣管、進水管、出水管和腔體的作用，使之在焊接中不能移動；焊槍進入管子后與管壁之間的距離非常小，焊接時容易被高頻電擊穿，所以在焊槍的外表面有絕緣環(huán)和熱塑管起絕緣作用，防止操作人員觸電；焊接時通過換熱管的內(nèi)徑和外徑來定位，焊槍上的外定位套和內(nèi)定位芯分別與換熱管的外壁和內(nèi)壁接觸，保證焊槍和換熱管在同一中心線上，這樣可以保證焊接期間弧長均勻；設(shè)計了專用的導(dǎo)電嘴，根據(jù)許用電流的大小，選擇合適的鎢棒，針對陶瓷噴嘴容易開裂和熔化的缺點，選用耐高溫、絕緣性能好的氮化硅作為噴嘴材質(zhì)，通過巧妙設(shè)計其結(jié)構(gòu)，使之達(dá)到較好的焊接效果。焊槍實物如圖7所示。

圖4 鎢棒安裝系統(tǒng)設(shè)計

圖5 導(dǎo)電嘴與鎢棒實際連接

3.2 焊接試驗

用設(shè)計的焊炬在雙管板換熱器上進行焊接試驗。首先在管子的內(nèi)壁涂上一層活性劑，利用丙酮將顆粒狀活性劑攪拌均勻，再均勻地涂抹在換熱管的內(nèi)表面，待丙酮揮發(fā)后再將整個焊槍伸入到換熱管中。焊接時利用活性劑來增加焊縫的熔深，將換熱管與管板完全熔合在一起。

圖6 焊炬總體構(gòu)造

圖7 焊炬實物

4 結(jié)論

通過對焊炬旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和導(dǎo)電嘴等的特殊設(shè)計，選擇氮化硅作為噴嘴材質(zhì)，調(diào)整鎢棒安裝系統(tǒng)，解決了雙管板換熱器內(nèi)側(cè)管板與換熱管的連接難題，所設(shè)計的A-TIG焊焊炬實用性好，焊炬結(jié)構(gòu)輕巧，冷卻系統(tǒng)和絕緣性能良好，滿足了實際焊接的要求。

[1]周兵風(fēng)，王 平，李平瑾.小直徑管子／管板內(nèi)孔填絲對接焊試驗與應(yīng)用[J].壓力容器，2009，4(26)：51-53.

[2] Wang X H.In Situ Production of Fe-TiC Surface Composite Coatings by Tungsten-Inert gas Heat Source[J].Surface＆Coating Technology，2006(200)：6117-6122.

Development of A-TIG welding torch for the double tube sheet heat exchangers

DIAO Zhi-feng1，YANG Shu-biao1，HUANG Ren-long1，YAN Hua2，GU Zhi-min2
(1.Jiangyin Branch，Jiangsu Province Special equipment Safety Supervision Inspection Institute，Jiangyin 214434，China；2.Jiangsu Shuangliang Boiler Co.，Ltd.，Jiangyin 214444，China)

This study develops A-TIG welding torch for the double tube sheet heat exchangers.In this torch，the rotation system，the gas circuit system，the waterway system，the electric circuit system，the contact tip and the nozzle are designed specially，then adjust the tungsten electrode installation system through the reasonable processing and assembly，resolve the connection problem of inner tube sheet and heat exchange tube in double tube sheet heat exchangers.The experimental results show that the structure of welding torch designs reasonable and practical，satisfied the require of welding.

A-TIG welding；double tube sheet heat exchangers；welding torch

TG435

B

1001-2303(2012)07-0025-04

2012-03-05

刁志鋒(1980—)，男，河北故城人，工程師，碩士，主要從事特種設(shè)備的檢驗工作。