引言
隨著化工業(yè)的不斷發(fā)展,我國幾個重點化工單位開發(fā)了新的項目,如醋酐、醋酸等新品種。這兩種物質(zhì)的酸性極強(qiáng),也就是說它們有著非常強(qiáng)的腐蝕性,如果要生產(chǎn)醋酐和醋酸,必須要用到錯材料制造的設(shè)備。早在30~50年前,西方國家就已經(jīng)能夠生產(chǎn)和使用錯材設(shè)備。我國對于錯材的認(rèn)識和使用只有十幾年的時間,對于錯材料的使用存在一定的局限性,基本是用于航天、核電,民用并不多見。錯材的價格非常昂貴,制造上難點多,尤其是焊接方面,更是存在諸多難點。錯是化學(xué)性質(zhì)非常活躍的元素,在高溫下非常容易和空氣中的各種氣體發(fā)生反應(yīng)。錯在焊接時,焊縫和熱影響區(qū)易被空氣中的氧、氫、氮等元素污染,生成硬而脆的化合物,使焊接接頭的硬度和強(qiáng)度升高、塑性下降,耐蝕性能也大幅度下降。因此在錯材焊接時必須對熔池、焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行充分而有效的保護(hù),盡量隔絕空氣,避免錯的氧化。本文主要描述的是小口徑錯管的焊接及保護(hù),錯管直徑范圍在DN25~DN100,壁厚范圍在2~3mm。
1錯材的基本性能
錯在元素周期表中屬副族金屬,表面呈銀灰色,其熔點為1852℃,沸點為3580℃,密度為6.5g/cm3。錯加入sn、Nb、Mg、Ni、Gr和Th等合金元素可形成錯合金,相比其他材料,錯合金的比強(qiáng)更高,耐熱性更好,是原子反應(yīng)堆工程常用的重要的結(jié)構(gòu)性材料,如原子反應(yīng)堆芯、核燃料棒外殼、壓力容器等結(jié)構(gòu)。錯在還原介質(zhì)如鹽酸、硝酸、醋酸等極強(qiáng)的酸與堿中,具有一般材料所無法比擬的優(yōu)良的耐腐蝕性。錯的力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1、表2所示。
2錯管的焊接與保護(hù)
根據(jù)上述錯材料的性能及其氧化后產(chǎn)生的危害,在焊接錯材料時必須做好保護(hù)工作。錯管在焊接時,保護(hù)氣體的純度為99.999%,對溫度超過200℃的焊縫、熱影響區(qū)正面和反面都需要進(jìn)行有效的保護(hù)。我們根據(jù)錯材料焊接后的顏色來判定焊接的氧化程度,分為四種顏色,具體為銀白色(非常好)、淡黃色(正常)、藍(lán)色(氧化不合格)、灰色(嚴(yán)重氧化)。
通常情況下焊接錯管時采用的是內(nèi)部充氬保護(hù),正面焊接區(qū)域采用焊槍自有的噴嘴(噴嘴直徑16~25mm)和拖罩保護(hù)。對于正面的拖罩保護(hù)(根據(jù)不同的管口徑采用不同形狀及尺寸的拖罩),一般情況下拖罩尺寸為寬25~60mm、長40~100mm。這種保護(hù)罩保護(hù)的措施對于大口徑錯管的焊接保護(hù)是適合的、有效的,但對于小口徑錯管的焊接,采用這種保護(hù)方法效果并不是很好,往往拖罩不能完全使焊縫和熱影響區(qū)的溫度控制在200C以下,焊縫和熱影響區(qū)的顏色會呈藍(lán)色,屬氧化(圖1)。
另外,還有部分企業(yè)采用的是在真空箱中焊接小直徑的錯管,在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)在真空箱內(nèi)進(jìn)行管子焊接,質(zhì)量也不盡如人意。由于真空箱內(nèi)部的溫度下降得比較緩慢,在焊縫表面會呈現(xiàn)黃色或淡黃色,也沒有達(dá)到理想的銀白色。
為了提高小直徑錯管的焊接質(zhì)量,我們總結(jié)了多年的經(jīng)驗,研發(fā)出另外一種保護(hù)措施"盒內(nèi)保護(hù)",也就是在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行焊接的方法。保護(hù)盒形狀及管子內(nèi)壁保護(hù)裝置如圖2所示。
3保護(hù)盒的制作
保護(hù)盒需采用紫銅薄板制作,厚度為1.5~2.0mm,其原因是銅相比其他材料,例如不銹鋼,其散熱性能更好。根據(jù)錯管直管徑的不同,兩端采用不同孔徑的封板,用較接與主體連接。主體采用圓筒的型式,圓筒由上下兩半組成,用較接連接。圓筒上開有兩個孔,其中一個為視窗孔,另一個為焊槍孔,內(nèi)部安裝小8mm紫銅細(xì)管,通水加速盒內(nèi)冷卻。焊接時保護(hù)盒內(nèi)的溫度過高,如果只是通過氬氣保護(hù)是不夠的,所以內(nèi)部加了通水的細(xì)管。圓筒的上端開有出氣孔,下端有進(jìn)氣孔,使筒內(nèi)充滿流動的氬氣,焊接時將所需要焊接的管子從保護(hù)盒的一端放入盒內(nèi),固定好后,開始充氬氣。待保護(hù)盒內(nèi)部的空氣排出后進(jìn)行焊接。保護(hù)盒可以做成固定的,也可以做成隨著焊接方向旋轉(zhuǎn)的,大部分采用保護(hù)盒用底座固定的設(shè)計,焊接時一人旋轉(zhuǎn)管子,一人焊接。錯管在保護(hù)盒里的示范如圖3所示。
保護(hù)盒橫向剖面圖如圖4所示。
保護(hù)盒縱向剖面圖如圖5所示。
4焊前準(zhǔn)備
錯表面覆蓋著一層致密的氧化膜,焊前必須進(jìn)行清理。通常采用機(jī)械法對管進(jìn)行坡口加工。焊前在管子坡口兩側(cè)各25mm內(nèi)用不銹鋼拋輪或合金磨頭打磨去除表面的氧化膜,然后用無紡布蘸丙酮清洗,焊接處不能留有棉紗之類物質(zhì)。通常對壁厚小于2mm的管子不開坡口,采用1形直接自熔焊接:壁厚大于2mm,開V型坡口,坡口尺寸如圖6所示。
焊接時,先對管內(nèi)和保護(hù)盒進(jìn)行充氬(氬氣含量99.999%)。預(yù)充2min后,開始焊接(圖7)。
焊接采用GTAw法,焊接材料為ERZr2,小1.6或小2.0。具體參數(shù)如表3所示。
管子點焊也需放在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行,點焊后開始焊接。從表3中可以看到焊槍的氣體流量較小,主要原因是如果焊槍中氣體流量過大會與保護(hù)盒內(nèi)氣體產(chǎn)生紊流,使焊縫區(qū)域氣體不穩(wěn)定,起不到保護(hù)作用。加上保護(hù)盒內(nèi)已充滿氬氣,故焊槍氣流量可以減小。焊接時,焊絲端頭一直要保持在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行送進(jìn),不允許將焊絲端頭移出保護(hù)盒,否則要將氧化的部分剪去。焊接錯管時,采用熔孔焊。因為錯在液態(tài)時表面張力要比碳鋼、不銹鋼大,因此當(dāng)出現(xiàn)熔孔時再填加焊絲,同時鎢極盡可能靠近焊縫根部,這樣才能保證根部焊透,有效防止未焊透產(chǎn)生。第一層焊接結(jié)束后,待管子在保護(hù)盒內(nèi)冷卻至80℃以下時,方可焊接第二層。全部焊接完成后,待管子冷卻至200℃以下方能移出保護(hù)盒。
5結(jié)論
錯管在保護(hù)盒內(nèi)焊接,既保證了焊縫內(nèi)部質(zhì)量(RT檢測,合格率在98%以上),同時還保證了焊縫的耐蝕性,焊縫表面呈銀白色,得到了良好的焊縫(圖8)。
錯材價格比較昂貴,焊好每一條焊縫都比較重要,做好焊接時的保護(hù)就是給企業(yè)節(jié)約了成本。所以,小口徑的錯管在保護(hù)盒內(nèi)焊接的方法是值得推廣和應(yīng)用的。
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