CN114871532B - 一种换热管与管板手工深孔焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域，公开了一种换热管与管板手工深孔焊方法，目的是解决现有技术中深孔焊设备投入大，手工焊接无法满足质量要求的问题。该方法用于从箱体式空冷器端部的管箱丝堵孔进入，对换热管和管板进行焊接，换热管插接于管板的管孔内，换热管端部与管板一侧齐平，包括以下步骤：步骤1、开坡口：对管板的管孔和换热管端部外壁开坡口，并将管板和换热管上的坡口根部对齐，形成深孔焊坡口；步骤2、进行焊条电弧焊：焊条从丝堵孔伸入深孔焊坡口，电弧从丝堵孔伸入对焊条及深孔焊坡口进行焊接；其中，步骤2中的焊条电弧焊为多道焊。该方法技术要点易掌握，焊接操作难度适中，易于推广普及，且焊接成本低，焊缝质量好。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种换热管与管板手工深孔焊方法。
背景技术
箱体式空冷器（如图1所示）由于结构和设计要求等因素的限制，其换热管与管板间管头的焊接，只能采用深孔焊，焊枪必须通过丝堵小孔（管孔直径比换热管直径略大）横穿管箱内腔深入管板的管孔内进行内角焊缝焊接。该换热管与管板的连接是箱体式空冷器制造中的重要环节。
传统的手工钨极氩弧焊需要加丝，且枪头无法内伸，使得手工钨极氩弧焊无法进行该换热管与管板的深孔焊接。目前，多采用专门的自动深孔TIG（Tungsten Inert Gas）焊机焊接此换热管与管板，自动深孔TIG焊机的焊接虽能满足标准和质量要求，但存在设备昂贵，装配要求极高，焊接准备时间较长，难以广泛应用等问题。
此外，焊条电弧焊在理论上是可以进行深孔焊接的，但现有手工电弧焊无法解决管头焊缝内部的缺陷和根部未熔合、未焊透等问题，且无法出具满足标准的、合格的焊接工艺评定，使得手工电弧焊在深孔焊实际应用上受阻。因此，采购专门的自动深孔TIG焊机仍是大多数制造厂唯一的选项。
对此，本领域迫切需要开发一种简单可行，且满足焊接质量要求的换热管与管板的深孔焊方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换热管与管板手工深孔焊方法，以解决现有技术中深孔焊设备投入大，手工焊接又难以满足质量要求等问题。该方法为手工深孔焊方法，其技术要点易掌握，焊接操作难度适中，易于推广普及，且焊接成本低，焊缝质量好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，用于从箱体式空冷器端部的管箱丝堵孔进入，对换热管和管板进行焊接，所述换热管插接于所述管板的管孔内，换热管端部与管板一侧齐平，包括以下步骤：
步骤1、开坡口：对所述管板的管孔和所述换热管端部外壁开坡口，并将所述管板和换热管上的坡口根部对齐，形成深孔焊坡口；
步骤2、进行焊条电弧焊：焊条从所述丝堵孔伸入所述深孔焊坡口，电弧从所述丝堵孔伸入对焊条及深孔焊坡口进行焊接；
其中，所述步骤2中的焊条电弧焊为多道焊。
在本申请的一种实施例中，所述管板和所述换热管上的坡口均为单V坡口，所述深孔焊坡口为大V双边坡口。
在本申请的一种实施例中，所述管板上坡口的角度为45°~85°；
所述换热管上坡口的角度为30°~45°。
在本申请的一种实施例中，所述深孔焊坡口的深度≥2.0mm，且大于或等于所述换热管的厚度。
在本申请的一种实施例中，所述焊条的直径≤2.6mm。
在本申请的一种实施例中，在所述步骤2中，进行焊条电弧焊时，起弧点在所述深孔焊坡口内的管板侧；
焊接过程中电弧靠近管板一侧进行焊接；
起弧点和息弧点在同一道焊接中反复熔化。
在本申请的一种实施例中，所述步骤2中焊条电弧焊的多道焊至少包括打底层焊接和盖面层焊接，进行所述打底层焊接时，控制减薄打底焊道的厚度；进行所述盖面层焊接时，控制盖面层焊道满足焊缝尺寸填充要求。
在本申请的一种实施例中，控制所述多道焊中相邻两道焊接的间隔时间，在前一道焊接未完全冷却时进行后一道焊接。
在本申请的一种实施例中，所述多道焊的道间温度控制在40~60℃范围内。
在本申请的一种实施例中，在所述步骤2中，进行焊条电弧焊时：
控制焊接速度在50~70mm/min范围内；
和/或，电弧焊采用的电流为70~100A；
和/或，电弧焊采用的电压为20~30V。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的换热管与管板手工深孔焊方法，在换热管和管板两侧均开坡口，形成特定的深孔焊坡口，将原来的坡口极限角度进一步扩大，将传统的角焊缝改为了对接焊缝（即Y型对接缝），扩大了坡口（熔池）空间，为焊条熔渣上浮和气体外溢提供了更大的空间和更有利的条件；焊缝根部可完全暴露在电弧之下，使电弧第一时间在根部燃烧，确保焊缝根部完全熔合焊透。其中，对换热管侧开坡口，使换热管管壁在焊接前削薄，省下了电弧熔化管壁的热量，剩下的热量用来熔合焊缝根部，可解决熔池温度偏低的问题，更好的熔合根部，使焊渣充分上浮；同时避免熔掉的管壁金属极流入坡口，堵塞坡口根部的熔合通道，进一步确保焊缝根部熔合焊透。
2、多道焊过程中，进行打底层焊接时，控制尽可能减薄打底焊道的厚度，以保证焊缝根部熔合熔透；后续焊接的焊道用于焊缝尺寸填充；进行盖面层焊接时，控制盖面层焊道满足焊缝尺寸填充的最终要求，以充分保证焊缝质量。
3、控制电弧焊的电流、电压及焊接速度，既确保焊缝成型，又确保熔池凝固过程中熔渣能完全从焊缝根部浮到焊缝表面，保证焊缝根部溶合焊透。
4、本申请的换热管与管板手工深孔焊方法，无需深孔焊机，节约设备成本；与氩弧焊相比，焊接速度更快，效率更高；技术更易掌握，焊工技术培训难度适中，普及率高，易于推广应用；焊接后的管头（换热管与管板连接处）泄漏率低，能承受的拉脱力极限在540Mpa以上，远超评定标准的下限值，安全有保障。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为箱体式空冷器一端的结构示意图。
图2为本申请中深孔焊坡口的结构示意图。
图3为对比例2的焊缝结构示意图。
图4为对比例3的管板开孔结构示意图；其中，a为管板开孔情况（1）的结构示意图；b为管板开孔情况（2）的结构示意图；c为管板开孔情况（3）的结构示意图；d为管板开孔情况（4）的结构示意图。
附图标记：
1、换热管；
2、管板；21、管孔；
3、管箱；31、丝堵孔；
4、深孔焊坡口。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本实施例提供了一种换热管与管板手工深孔焊方法，该方法适用于箱体式空冷器中换热管1与管板2的焊接连接。
具体地，如图1所示，用于从箱体式空冷器端部的管箱3丝堵孔31进入，横穿过管箱3内腔伸入管板2的管孔21内对换热管1和管板2进行焊接。该方法中换热管1插接于管板2上的管孔21内，换热管1端部与管板2朝向管箱3内腔一侧齐平设置。
该方法包括以下步骤：
步骤1、开坡口。
分别对管板2的管孔21（朝向管箱3一侧）和换热管1端部外壁开坡口；并将管板2和换热管1上的坡口根部对齐，也即管板2和换热管1上的坡口深度相等，形成特定的深孔焊坡口4。使焊接部位由传统的角焊缝改变为对接焊缝。
步骤2、进行焊条电弧焊。
为手工焊条电弧焊，将焊条从端部管箱3上的丝堵孔31伸入，横穿过管箱内腔，伸入管板2和换热管1之间形成的深孔焊坡口4内；电弧从丝堵孔31伸入，对焊条及深孔焊坡口4进行焊接。
其中，步骤2中的焊条电弧焊为“半盲式”焊接，且为多道焊，包括至少两道焊接工序。
在一种实施方式中，如图2所示，管板2和换热管1上的坡口均为单V坡口，相应的，管板2和换热管1对应组成的深孔焊坡口4为大V双边坡口（即为Y型对接缝）。设置为V型坡口，更利于熔渣和气体上浮。
其中，当深孔焊坡口4为大V双边坡口时，其管板2上坡口的角度范围为45°~85°，优先为75°~85°。
换热管1上坡口的角度小于等于管板2上坡口的角度，且换热管1上坡口角度范围为30°~45°，优选为35°~45°。
管板2和换热管1上的坡口深度一致，组成的深孔焊坡口的深度≥2.0mm，且该深孔焊坡口的深度应与设计要求的最小泄露通道尺寸相关，至少应大于或等于换热管1的厚度。管板2的管孔21与换热管1之间的间隙应满足生产标准要求，偏差在0.15mm及以下，不能随意加大。
本实施例所采用的焊条为小直径焊条，通常选用直径在2.6mm及以下的焊条。
在进行焊条电弧焊时，起弧点应在深孔焊坡口4内的管板2侧；焊接过程中，电弧也应尽可能靠近管板一侧进行焊接；且起弧点和息弧点应在同一道焊接过程中反复熔化，避免起弧点和息弧点处未完全熔合和未完全焊透。
起弧点在管板2侧，焊接过程中电弧靠近管板2侧施焊，避免对换热管1造成击穿；同时，管板2侧的坡口角度偏大，焊接产生的熔渣和熔化的管板金属不易流入焊缝根部，更好的避免熔渣等对焊缝根部焊接质量造成影响。
在进行该换热管1与管板2焊接时，采用两道及两道以上的多道焊工序进行焊接，即至少包括打底层焊接和盖面层焊接这两道焊接工序。其中，进行打底层焊接时需控制尽可能减薄打底焊道的厚度，以保证焊缝根部充分熔合焊透；后续焊道用以填充深孔焊坡口4；进行盖面层焊接时，需控制盖面层焊道满足焊缝尺寸的最终填充要求。焊接后形成的填充金属厚度应大于深孔焊坡口4的深度。
多道焊过程中，相邻两道焊接工序的间隔时间不宜过长，应在前一道焊接未完全冷却时进行后一道焊接。即前一道焊接保持一定层间温度，为后一道焊接提供预热；同时可使两道焊接熔合更好，减少缺陷。
优选，道间温度（也即层间温度）控制在40~60℃范围内，可达到较优焊接质量，既不影响前道焊接质量，又能保证两道焊接层间熔合，防止焊接区裂纹的产生。道间温度指多道焊工序中，焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度。
进一步地，在进行焊条电弧焊时，控制焊接速度在50~70mm/mim范围内，优选焊接速度控制在60~70mm/min范围内。
电弧焊采用的电流为70~100A，优选为80~85A；电弧焊采用电压为20~30V，优选焊接电压控制在23~26V范围内。
控制电弧焊的电流、电压及焊接速度，确保焊接过程中焊缝熔池的温度及降温速度适宜，更进一步保证熔渣能从焊缝根部浮起。
综上，本实施例的换热管与管板手工深孔焊方法，在换热管1和管板2两侧均开坡口，形成特定的深孔焊坡口4，将原来的坡口极限角度（通常极限角度在80°）进一步扩大，将传统的角焊缝改为了对接焊缝（传统焊接仅在管板侧开坡口），扩大了坡口（熔池）空间，为焊条熔渣上浮和气体外溢提供了更大的空间；焊缝根部可完全暴露在电弧之下，使电弧第一时间在根部燃烧，确保焊缝根部完全熔合焊透。其中，对换热管侧开坡口，使换热管在焊接前消薄，省下了电弧熔化管壁的热量，剩下的热量用来熔合焊缝根部；同时避免熔掉的管壁金属极流入坡口，堵塞坡口根部的熔合通道，进一步确保了焊缝根部熔合焊透。该方法获得的管头泄漏率在3%以下，与自动化钨极氩弧焊相当，且堵漏更便捷。
实验例1
取管板，其材料为Q345R，厚度为22mm；换热管为不锈钢S30408，规格为ф25×3.0mm的厚壁管。
对管板2上的管孔21开80°的单V坡口，换热管1开45°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口（即大V双边坡口）。深孔焊坡口深度大于等于2mm。管板上包括10个管头（管板与换热管连接处）。
焊条（即填充金属）尺寸为ф2.6mm。
采用手工焊条电弧焊（SMAW，shielded metal arc welding）进行焊接，包括两道焊接（可形成两层焊道）工序。两道焊接工序参数相同，电流均为82A，极性均为直流反接，电弧电压均为23~24V，焊接速度均为60mm/min。道间温度为52℃。由技术较好的焊工手动施焊。
实验例2
与实验例1基本相同，不同之处在于管板2的管孔21上开设的坡口角度为60°；换热管1上坡口的角度为39°，进行与实验1相同的焊条电弧焊焊接。
实验例3
取管板，其材料为SA-516 Gr.70N，厚度为36mm；换热管材料为SA-213 TP316L，规格为ф19×2.0mm。
对管板2上的管孔21开85°的单V坡口，换热管1开40°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口（即大V双边坡口）。深孔焊坡口深度为2mm。管板包括10个管头（管板与换热管连接处）。
焊条（即填充金属）尺寸为ф2.6mm。
采用手工焊条电弧焊进行焊接，包括两道焊接（可形成两层单道）工序。其中，第一道焊接（即打底层焊接）的参数：电流为81A，极性为直流反接，电弧电压为23~24V，焊接速度为60mm/min。道间温度为46℃。第二道焊接（即盖面层焊接）的参数：电流为80A，极性为直流反接，电弧电压为23~24V，焊接速度为70mm/min。
由技术较好的焊工手动施焊。
实验例4
与实验例3基本相同，不同之处在于管板2的管孔21上开设的坡口角度为45°；换热管1上坡口的角度为45°（如图2所示）。
采用手工焊条电弧焊进行焊接，包括两道焊接（可形成两层焊道）工序。其中，第一道焊接的参数：电流为80A，极性为直流反接，电弧电压为24V，焊接速度为60mm/min。道间温度为45℃。第二道焊接的参数：电流为80A，极性为直流反接，电弧电压为26V，焊接速度为60mm/min。
由技术较好的焊工手动施焊。
实验例5
管板厚度为36mm；换热管规格为ф25×2.5mm。
对管板2上的管孔21开75°的单V坡口，换热管1开40°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口（即大V双边坡口）。深孔焊坡口深度为2mm。管板包括10个管头（管板与换热管连接处）。
焊条（即填充金属）尺寸为ф2.6mm。
采用手工焊条电弧焊进行焊接，包括两道焊接（可形成两层焊道）工序。两道焊接工序参数相同，电流均为82A，极性均为直流反接，电弧电压均为23~24V，焊接速度均为60mm/min。道间温度为44℃。
由技术较好的焊工手动施焊。
实验例6
与实验例5基本相同，不同之处在于对管板2上的管孔21开85°的单V坡口，换热管1开30°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口。深孔焊坡口深度2.0~2.22mm。
两道焊接工序参数相同，电流均为72~89A，极性均为直流反接，电弧电压均为21~28V，焊接速度均为50~70mm/min。道间温度为60℃。
实验例7
与实验例5基本相同，不同之处在于对管板2上的管孔21开75°的单V坡口，换热管1开45°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口。深孔焊坡口深度2.0~2.22mm。
两道焊接工序参数相同，电流均为74~90A，极性均为直流反接，电弧电压均为21~28V，焊接速度均为50~70mm/min。道间温度为60℃。
实验例8
管板材料为Q345R，厚度为20mm；换热管为不锈钢S30408，规格为ф25×3.0mm的厚壁管。
对管板2上的管孔21开60°的单V坡口，换热管1开45°的单V坡口，对应形成深孔焊坡口（即大V双边坡口或Y型对接缝）。深孔焊坡口深度大于等于2mm。管板包括10个管头（管板与换热管连接处）。
焊条（即填充金属）尺寸为ф2.0mm。
采用手工焊条电弧焊进行焊接，包括两道焊接（可形成两层焊道）工序。两道焊接工序参数相同，电流均为80~100A，极性均为直流反接，电弧电压均为22~24V，焊接速度均为60~70mm/min。道间温度为60℃。
由技术较好的焊工手动施焊。
理化实验：
实验例1-8中，从焊接完成的管头中随机各切取2个管头，各获得共16个管头的焊缝横截面，通过宏观金相检测。检测结果显示，实验例1-8中各获得的16个管头的焊缝根部全部熔合焊透，无夹渣气孔等，焊缝厚度也满足标准要求。该实验例1-8表明这种开设大V双边坡口进行焊条电弧焊的方法是合理和成功的。
宏观金相检测为，管头线切割后，抛光腐蚀，用10倍放大镜观察焊缝。
拉脱力实验，从实验例1-8中各选取2个管头进行拉脱力实验测试。实验数据表明（原始实验数据未示出），各管头的焊缝实际承受的拉脱力极限均在540Mpa以上。根据产品标准要求，计算的拉脱力不超过许用拉脱力即为合格，经设计计算，换热管管头焊缝拉脱力≥30Mpa左右，上述实际检测数值远大于该设计要求。
由此证明，本申请的方法获得的焊接结构无论从设计上或焊接制造的角度考量，都能满足要求，焊接出质量合格的焊缝。
对比例1
换热管伸出管板2mm（≥换热管的壁厚），管板的管孔开45°单V坡口，坡口深度≥2mm。
焊条直径为ф2.6mm；焊接电流为90-100A，电弧电压为20-25V，焊接道数为1，实验包括10个管头。
由技术顶尖的焊工进行手工焊条电弧焊接。
10个管头经线切割后做宏观金相检测，抛光腐蚀用10被放大镜观察焊缝，检测结构为焊缝根部100%未熔合未焊透。
结果分析，坡口太窄，焊条电弧本身挺度不足，电弧过宽的情况下电弧无法像目前采用的氩弧焊一样打到坡口根部，因此根部无法熔合熔透。
对比例2
与对比例1基本相同，不同之处在于，对管板做极限坡口设计。包括两副管板，每副管板与换热管形成10个管头。
将一副管板的管孔开80°单V坡口（如图3所示）；另一副管板的管孔开85°单V坡口。
焊接完成后，两副管板各任意取2个管头（共4个管头，32个横截面），线切割后做宏观金相检测，抛光腐蚀后用10倍放大镜观察焊缝。
结果现实，焊缝根部未熔合未焊透率在80%以上，情况稍有改善，但仍然不满足设计要求。
对比例3
因对比例1坡口角度太小，电弧无法打到坡口根部，造成焊缝根部存在未熔合未焊透的缺陷。进一步设计了本对比例。
具体的，如图4所示，包括4副管板中，每副管板的开孔情况如下：
（1）将管板上的管孔开2.5mm宽的槽，槽外壁角度为45°（参见图4中的a示图）；
（2）将管板上的管孔开2.5mm宽的槽，槽外壁角度为45°，槽底部与外壁之间增加R2.0的倒角（参见图4中的b示图），以加大坡口根部的宽度；
（3）将管板上的管孔开2.5mm宽的槽，槽外壁角度为60°（参见图4中的c示图），以进一步加大坡口根部的宽度；
（4）将管板上的管孔开2.5mm宽的槽，槽外壁角度为60°，槽底部与外壁之间增加R2.0的倒角（参见图4中的d示图），以更进一步加大坡口根部的宽度。
焊条直径为ф2.6mm；焊接电流为90-100A，电弧电压为20-25V，焊接道数为1。由技术顶尖的焊工进行手工焊条电弧焊接。
焊接后获得的4种管头经线切割后做宏观金相检测，抛光腐蚀后用10倍放大镜观察焊缝。检测结果为90%以上焊缝根部未熔合未焊透。
分析，电弧依然无法熔合到坡口根部，致使根部无法熔合焊透。
由对比例1至3可知，无论坡口从45°增大到80°甚至85°，或者坡口由单V坡口改成带槽单V坡口，甚至带倒角，坡口角度和宽度增大，均没有从实际上解决焊缝根部熔合熔透的问题。
Claims (8)
1.一种换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，用于从箱体式空冷器端部的管箱丝堵孔进入，对换热管和管板进行焊接，所述换热管插接于所述管板的管孔内，换热管端部与管板一侧齐平，包括以下步骤：
步骤1、开坡口：对所述管板的管孔和所述换热管端部外壁开坡口，并将所述管板和换热管上的坡口根部对齐，形成深孔焊坡口；
步骤2、进行焊条电弧焊：焊条从所述丝堵孔伸入所述深孔焊坡口，电弧从所述丝堵孔伸入对焊条及深孔焊坡口进行焊接；
其中，
所述管板和所述换热管上的坡口均为单V坡口，所述深孔焊坡口为大V双边坡口；
所述管板上坡口的角度为45°~85°；
所述换热管上坡口的角度为30°~45°；
所述步骤2中的焊条电弧焊为多道焊。
2.根据权利要求1所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，所述深孔焊坡口的深度≥2.0mm，且大于或等于所述换热管的厚度。
3.根据权利要求1所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，所述焊条的直径≤2.6mm。
4.根据权利要求1所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，在所述步骤2中，进行焊条电弧焊时，起弧点在所述深孔焊坡口内的管板侧；
焊接过程中电弧靠近管板一侧进行焊接；
起弧点和息弧点在同一道焊接中反复熔化。
5.根据权利要求1或4所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，所述步骤2中焊条电弧焊的多道焊至少包括打底层焊接和盖面层焊接，进行所述打底层焊接时，控制减薄打底焊道的厚度；进行所述盖面层焊接时，控制盖面层焊道满足焊缝尺寸填充要求。
6.根据权利要求5所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，控制所述多道焊中相邻两道焊接的间隔时间，在前一道焊接未完全冷却时进行后一道焊接。
7.根据权利要求6所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，所述多道焊的道间温度控制在40~60℃范围内。
8.根据权利要求1所述的换热管与管板手工深孔焊方法，其特征在于，在所述步骤2中，进行焊条电弧焊时：
控制焊接速度在50~70mm/min范围内；
和/或，电弧焊采用的电流为70~100A；
和/或，电弧焊采用的电压为20~30V。
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