钛换热管与管板焊接的气体保护措施范文

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摘要：随着石油化工行业的不断发展，我国对钛制换热器的需求量逐年增加。与其他材质换热器不同，钛换热器在焊接换热管与管板接头时，有严格的气体保护要求，对熔池及温度超过400℃的焊缝和热影响区都要进行惰性气体保护。在实际生产中，一般通过给钨极加装保护气体喷嘴以及增加管板气体保护罩的形式实现。在整个管板焊接过程中，需要根据焊接位置不断移动管板气体保护罩，过程冗杂，生产效率低。利用ANSYSWorkbench数值模拟软件，模拟钛管头焊接过程的温度场，以温度场分布为依据，优化传统气体保护措施。通过实际焊接检验可知，改进后的气体保护措施效果良好，可以应用于实际生产。

关键词：钛；气体保护；数值模拟；优化

钛及钛合金具有一系列优良性能，如密度小，比强度高，塑性、韧性好，耐高温，抗蚀性强等，被广泛应用与航空、航天、化工设备、车辆工程及医疗器械等领域[1⁃3]。随着石油、化工行业的飞速发展，钛及其合金以其优越的耐蚀性被广泛使用，钛换热器是石油化工行业应用较多的设备之一，换热器中以钛为主要元件的优点在于：钛的耐蚀性能非常好，钛换热管的管壁不必太厚，因此可提高换热器的传热效率；钛管表层光洁，管内不易结垢，因此钛换热器的使用寿命长；钛的比强度高，相较于其他材质的换热器，钛制换热器质量轻，体积小，适用性强[4]。钛换热器的生产必然会涉及换热管与管板的焊接问题，这种接头数量多，同时对焊接质量要求高。传统的手工TIG焊，生产效率低，焊接质量难以保证，因此自动TIG焊在管板焊接中应用越来越广泛。在钛换热管与管板焊接过程中，焊件处于高温状态，极易吸收空气中氧、氢、氮、碳等杂质元素，降低焊接接头的塑性及韧性，导致气孔、裂纹等的产生[5]。因此，在焊接过程中焊缝和热影响区温度高于400℃的部位必须采用高纯氩进行气体保护[6]。目前，在钛管板焊接中均通过使用带氩气喷嘴的焊枪以及增加管板氩气保护罩的措施进行保护。在焊接过程中，移动焊枪的同时还需要不断调整保护罩位置，重复进行保护罩预充气操作，过程冗杂，成本高，效率低。

1焊接数值模拟

本文利用应用较为广泛的数值模拟软件ANSYSWorkbench进行焊接数值模拟，以得到钛管板焊接过程中的温度场分布。

1.1模型的建立建立焊接模型时，建立完整的换热管管板模型进行模拟具有较大难度，因此根据GB/T151—2014（热交换器）的规定，选择合适的管孔、管板及换热管结构尺寸，以确保模拟的准确性和可操作性。综上，确定管板的直径为Ф55mm，厚度为20mm；换热管尺寸为Ф25mm×1.5mm，利用ProE三维绘图软件绘制模型。

1.2网格划分及边界条件的设定将在ProE中绘制完成的三维模型导入ANSYSWorkbench中进行网格划分，单元类型选择20节点6面体单元。

1.3热源模型及焊接过程的实现为了使模拟更接近真实焊接，选择双椭球热源模型，热源各参数参考实际焊接制定。焊接工艺参数：焊接电流为40～140A，焊接电压为8～10V，焊接速度为3～4mm/s。

2模拟结果及数据后处理

在ANSYS中设置焊接数值模拟所需要的参数后进行求解。在实际焊接过程中，随着热源的移动，每一个点的温度是不断叠加的，因此选取焊接热输入刚停止后的温度云图，如图5所示，此时，400℃温度区域显然是最大的。在单个管头焊接过程中，400℃以上的高温区域在管板及换热管表面的传递距离是有限的，这一情况结合钛自身热导率低的特点，可以得到合理的解释。

3气体保护措施优化

3.1优化措施思考传统气体保护形式是喷嘴加保护罩，钨极上加装氩气喷嘴，其作用是在焊接过程中不断喷出高纯氩保护熔池及焊缝，保护罩预充氩气，保护管板及换热管高温区域。为了达到传统气体保护形式的效果，本文将需要进行额外气体保护的区域视为一个圆形来处理，这种方式可依托模拟结果简化问题，圆形区域的直径取横纵向最大值15.0mm。传统保护罩方式不但可以有效保护管板及换热管表面高温区域，同时可以对焊缝进行二次保护，保护换热管内部高温区域，达到一个非常好的气体保护效果。因此，对气体保护措施进行改进时需要考虑这些问题。综上，本文选择加装一个辅助氩气喷嘴替代传统保护罩，为了对焊缝进行二次保护，辅助氩气喷嘴与钨极氩气喷嘴取30°夹角，辅助喷嘴直径增加至20.0mm，以保证400℃温度区域都能得到保护，同时辅助喷嘴的高度相较于钨极氩气喷嘴向上调整2.0～3.0mm，以实现辅助喷嘴向换热管内部喷气，保护换热管内壁。

3.2焊机的改造及试焊本次改造是基于武汉星光石油化工设备有限公司制造的WZMI-315C管板自动氩弧焊机。3.3试焊结果分析在钛换热管与管板的实际焊接过程中，换热管、管板及焊缝气体保护的效果可以通过颜色变化直观地进行判断：若焊件呈现银白色或金黄色，则表示气体保护效果良好，焊件几乎没有发生污染；若焊件呈现蓝色或紫色，则表示有一定程度的污染，但不影响焊件质量；若焊件呈现其他颜色，则表示焊件已经出现相当程度的污染，焊件不能使用。

4结论

本文利用ANSYSWorkbench模拟软件，模拟钛换热管与管板焊接过程的温度场，依据温度场模拟结果提出并设计了一种改进的气体保护方法。以辅助气体喷嘴代替传统气体保护罩，辅助喷嘴可以跟随焊枪一起行进，无须实时调整位置，可极大地提高焊接效率，同时节省一定的生产成本。经过实际焊接及检验可知，改进的气体保护措施气体保护效果良好，可以应用于实际生产。

作者：郭潇潇1；张莹莹1；高磊1；师瑀1；纪强2 单位：1.辽宁石油化工大学机械工程学院，2.抚顺化工机械设备制造有限公司