换热器管子与管板胀焊制造工艺分析.doc

换热器管子与管板胀焊制造工艺分析
王丹铭（哈尔滨空调股份有限公司）
摘要：换热器管子与管板胀焊接头的加工，是先焊后胀还是先胀后焊的好，至今仍有争论。详细分析比较了两种连接加工方法，各自的优缺点及应用情况，提出了胀接与焊接先后次序应遵循的主要原则。为实际生产选择合理的制造工艺，保证管子与管板连接接头的质量提供参考。
关键词：换热器管子与管板胀接焊接胀焊接头
管子与管板连接头的连接是换热器制造的关键工序，有强度胀接、强度焊和胀焊结合三种连接方法，但经常采用管子与管板胀焊结合的连接方法。是先焊后胀还是先胀后焊，至今仍有争论。
1·先焊后胀工艺的应用分析
1.1先焊后胀工艺的优点及应用
换热器制造厂历来多采用先焊后胀工艺，而较少采用先胀后焊工艺。究其原因是与使用机械胀接法作为最主要的胀管手段密切相关。因为在机械胀管过程中，存在着摩擦并产生大量的热必需用机油来润滑和冷却，油液渗浸进入胀接接头的缝隙，要彻底清除干净十分困难。夹缝中油水等杂物的存在，焊接时易于形成气体，而这些气体来不及逸出便存在于焊缝中。另一方面胀管区又往往堵塞了排气通道，增加了焊缝中生成气孔的可能性。采用先焊后胀工艺则可以避免上述不利因素，特别是对于钛材和某些有色金属，要求焊接的基本条件十分严格，不允许油水和铁离子污染，选择先焊后胀工艺更易保证焊缝质量。
1.2先焊后胀工艺的缺点分析
①机械胀接法存在着固有的缺点，各管之间长度不一，连接强度和紧密性不均；胀管接口的内表面产生硬化现象，给重复补胀带来困难；管与管板材料的胀接的相容性有一定的限制，如：钛管与碳钢的胀接、铝管与碳钢的胀接等均受到了限制；劳动生产率低，而且小管径或厚壁管的胀接较困难等。②管口环形焊道不均匀，由于管子与管板之间存在着0.2~0.5mm的装配间隙，而且总是偏心配置，加上管子与管板孔的加工偏差，造成每一个管口的环形焊道不均匀。对于薄壁管很容易焊穿。③存在一段长15mm的非胀管区，GB151-99规定胀管区与焊缝的距离为15mm，目的是为了避开胀管力对焊缝的破坏。此非胀管区内存留着气体，当换热器受热后其体积膨胀，产生强大的压力，可能对焊缝或胀接造成破坏。另外为了充分利用管板的设计厚度，管板厚度内的胀管区总是越长越好。长15mm的非胀管区，对于厚管板而言，消极效果不明显，但对于薄管板，则不可小视。④管子伸长损伤焊缝，机械胀管使管壁减薄，管子伸长，对焊缝损伤。⑤焊接时在管口处形成焊瘤，管口收缩和变形给以后的胀管作业带来困难。为了使管接头顺畅地进入管孔中，则有必要对管口焊接提出较高的要求。
2·先胀后焊工艺的应用分析
2.1先胀后焊工艺的优点及应用
①强度胀+密封焊时，由于密封焊仅能起辅助性止漏作用，而先胀后焊则可以在焊接前进行胀接后的强度试验（水压试验），因而保证了胀接连接的可靠性。②先胀后焊使管子与管板的连接可以避免产生焊接裂纹。特别是在管子、管板材料差异较大的情况下，采用先胀后焊的方法亦可较好地保证其焊接质量。③小管径采用胀后焊接可以提高其连接接头的抗疲劳性能。④焊接在胀管后进行，避免了胀接力对焊缝破坏的可能性，可以实现管板厚度内的全程胀管，有效地利用了管板的设计厚度。
2.2先胀后焊工艺的缺点分析
先胀后焊时，由于胀接时的润滑油难于用经济的方法进行清洗，焊接时易于形成气体，而这些气体来不及逸出便存在于焊缝中，特别是进行氩弧焊的密封焊时，收弧封口处往往出现气孔，影响焊缝质量，因此一般应避免采用有机润滑剂，而用二硫化钼加水等无机润滑剂。随着橡胶胀管新技术的应用，先胀后焊工艺的应用亦日趋广泛。橡胶胀管新技术是一种以液压为动力，以橡胶为胀管媒介体的胀管工具。利用此工具，先胀后焊可以顺利进行，不必使用任何润滑剂，不存在油污染和铁离子污染，能保持接头的清洁和干燥，胀接后可立即进行管口的焊接作业。
橡胶胀管压力在400MPa以下可随意调节，即可用于强度胀也可用胀接，尤其适用于定位胀。接头连接的松紧程度很容易通过调节胀管压力来控制。因此，焊接过程中生成的气体可以通过接头的空隙释放。另外，胀管后管子扩大与管板孔相贴合，管孔变得很圆整，管子与管板孔同心，原有装配间隙基本消除，给焊接创造了十分良好的条件，同时，管口扩大，让胀管容易插入管孔中，亦便于焊后的胀管。
3·胀接与焊接先后次序选择的主要原则
①焊前管子与管板的清洁与干燥状况；②管子与管板之间是否留有通道让焊接生成的气体能顺畅逸出；③胀接与焊接工序是相辅相成还是相互冲突；④现场实际胀管的条件与能力。
4·结论
先胀后焊或先焊后胀，对于焊接部分：有密封焊与强度焊两种焊接形式的区别；对于胀接部分，有强度胀接与贴胀的区别。如胀接与密封焊结合的结构，是以胀接承受作用力，而密封焊则保证密封性。密封焊的高度一般为1~2mm，这样不会影响强度，但在焊接时一定要清理接头处的油污。强度焊与胀接（贴胀）结合的结构，是以焊接承受力，而贴胀的目的只是消除管子与管板之间的间隙，如图1所示，以防止缝隙受到有腐蚀性介质的侵蚀。

焊后胀接及贴胀：焊后胀接及贴胀如图2所示。一般适用于压力较高的换热器设备上，该焊接部分为加强密封焊，焊接腰高采用2.8mm，胀接部分承受作用力，当胀接失效时，加强密封焊可起到承受作用力的作用，贴胀部分为消除缝隙腐蚀。
胀焊结合的结构在什么条件下，采用先焊后胀或先胀后焊，目前还无统一只规定，但一般都趋向于先焊后胀为宜。可以遵循下列条件选择
①使用机械胀管法作为胀管手段，先焊后胀工艺一般优于先胀后焊工艺。
②使用橡胶胀管法作为胀管手段，先胀后焊工艺可以顺利进行，效果好，优于先焊后胀工艺。
③根据胀接与焊接先后次序选择的主要原则，合理地选择胀焊工艺，可以获得优良的胀焊结构的管子与管板连接接头。

GB151－1999标准中规定，强度胀接适用于设计压力≤4MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大温度变化及无应力腐蚀的场合；强度焊接适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合；胀、焊并用适用于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。由此可见，单纯胀接或强度焊接的连接方式使用条件是有限制的。胀、焊并用结构由于能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤，避免间隙腐蚀，并且有比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性，因而得到广泛采用。目前对常规的换热管通常采用“贴胀＋强度焊”的模式；而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀＋密封焊”的模式。胀、焊并用结构按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。1 先胀后焊
# U! z$ } w% R4 @! G 管子与管板胀接后，在管端应留有15mm长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙(见图1)。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200～300MPa的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。只有这样对于常规设计的“贴胀＋强度焊”可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的“强度胀＋强度焊”则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。4 e' ~1 r" t( w8 t. e( R
2 先焊后胀( } V! E, f/ T& X: _3 r& s
在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的(见图2)。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端15mm的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。5 m l' H) a
3 合理的制造工艺0 k. k9 B) p& u
3.1 管子与管孔的公差控制
6 ^* v1 x3 R# w (1)换热管$ e0 @5 ?3 {# X1 q% ?9 M. M# X
在采购换热管时要求每台换热器所使用的换热管在冷拔加工时应采用同一坯料(炉批次)的原料，并在同一台经校验试验合格的拉管机上生产，这样才能保证每根换热管具有相同的材质、规格与精度。换热管外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，内径的均匀一致能保证与液袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长胀头的使用寿命。一般管子与管板管孔间隙要求控制在(0.3±0.05)mm范围内，而液袋式胀管机胀头外径与管子内径的公差也应控制在(0.3±0.05)mm范围内。; z# h1 l( t2 z; W
(2)管板
* C/ R3 J- @! t: D/ b+ O ^ 为使换热器管板管孔与管子外径在同一公差范围内，首先必须根据到货换热管外径的实际精度尺寸决定管板管孔的加工精度，如上所述，管板管孔与已到货换热管实际均匀外径间隙仍应控制在(0.3土0.05)mm范围内。
7 v) V# a. {' [. v; [3.2换热管与管板的加工及验收' g- [" @" P4 K: P
(1)换热管
. i2 H$ L* S5 \; c ①按要求采购进厂的换热管入库前应按相关标准逐项验收，精确测量内、外径及其公差范围。/ U+ _* O8 H7 M8 |5
②换热管穿管前按实际测量壳程长度一次性切好换热管，避免穿管后用脚向砂轮机修磨。当采用砂轮机修磨时，砂轮磨粒易溅入管子与管板管孔的间隙中，硅酸盐磨粒在焊接时将会产生夹渣，给焊接接头造成隐患。! k3 r5 f2 O1 F
③换热管穿管前胀接范围内管区应进行除锈处理，管端除去内外毛刺，这对采用液袋式胀头时尤为重要。
! n* N9 w$ u; r- f (2)管板. B5 x( I# H/ ]: Q/ k" w
①管板应是合格的锻件，内部材质应均匀，胀接面上无影响胀接质量的缺陷。对于装置中关键的换热器，尽量采用高级别锻件，锻件除按相关标准验收后，应做超声波复查。
* J6 `0 A* r: @, e ②管板与折流板上管孔加工必须保证同轴度。采用同一块模板钻孔，确保每根换热管所通过的管板与折流板上的管孔在同一中心线上，否则将使穿管发生很大的困难。
6 k/ Q* z: y+ ~8 N# z B# b3 @4 Z% \ ③管板的钻削加工粗糙度、管板的管桥宽度均按GB151-1999Ⅰ级要求验收。0 I( z: r9 V" l) Q
④管孔精度以自制的通规和止规来检验，并作记录。如要求钻孔φ(25.4土0.05)mm，即选φ25.45mm为止规，φ25.3mm为通规，可以逐孔检查，对于超差孔应作出标记，以便采取特殊措施予以弥补。" J' i. r$ u% \* H$ d
⑤如为强度胀，胀槽深度应确保(0.5土0.05)mm范围。对于液袋式胀接的方式，根据目前科研试验的结果，建议槽宽为8mm，槽间距为8mm，通常采用双槽结构。8 g7 w4 S& Q& a: {* J
⑥胀接前应严格清洁管孔，除去槽边毛刺，不允许有影响胀接紧密性的杂质存在。
6 j# Y! F, y# o4 X3.3 管子与管板的连接
. N/ |( k. e# v* _ (1)胀接
/ g: h8 T, }/ E 推荐采用液袋式液压胀接方式，以保证胀接紧密程度均匀一致。因为液袋式胀管机其胀接压力是由人工设定，电脑控制操作的，精度较高。如令25×2.5的碳钢换热管其贴胀压力通常为110~120MPa，强度胀压力为170~180MPa。当采用特殊规格换热管时可以先理论计算，然后通过模拟试验，确认其贴胀及强度胀的适宜液压范围，以保证胀接连接的可靠性。
5 M+ a# o Z7 r$ K (2)焊接
5 Y! L) N y* O% ^; E' F0 o 一般采用填丝氩弧焊。焊缝高度H确保不小于管壁厚度的1.4倍。采用双层氩弧焊，且第二层焊道起弧处至少要偏离第一层焊道起弧点15°，以消除第一层焊道中特别是起弧和收弧点处可能产生的缺陷。
$ b( U* D6 Z; V' D5 p& | (3)连接方式
% e8 f4 h; s3 Q+ q 图纸设计为“贴胀＋强度焊”时，可采用如下两种方式：8 T; L6 h" J$ F+ {/ |* Q# Q0 O
①贴胀(盛水试漏)；强度焊(水压试验)。
" h+ ?* R4 j1 G r3 d& y: \9 } ②强度焊(压力试验)；贴胀(水压试验)。
9 m( W/ v/ N3 M$ Z3 _6 X- K9 x q 当管板孔超标时，应先贴胀，再焊接，以免胀接时影响焊缝质量。图纸设计为“强度胀＋密封焊”时，建议采用如下方式：6 q3 B2 A+ e% {
贴胀(盛水试漏)；密封焊(压力试验)；强度胀(水压试验)。
. x) R5 I) t/ [" `4 结语
. L [/ q% I7 S2 r: t5 j8 U2 J2 Z 国产换热器由于基本材料、加工精度及加工工艺方法均未达到优化组合，导致换热器使用寿命的相对降低。目前已大量使用的胀焊并用结构的换热器，结合我国的国情，通过一系列的质量控制措施，完全可以制造出高质量、寿命长、用户满意的换热器。
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