銅制換熱器是電力、化工行業(yè)中常用的熱傳導設備，其制造難度大，質量較難保證，在使用中易發(fā)生泄漏。
1、背景由于銅和不銹鋼的物理性能差異性非常大，兩者間的可焊接性，傳統(tǒng)銅制換熱器管板與銅管連接方式主要為強度脹接，強度脹接的接頭密封性能主要取決于管板孔徑、溝槽寬度及深度，以及換熱管自身外徑，而實際生產過程中往往會產生偏差，換熱管、欠脹，導致設備在投入使用中發(fā)生泄漏。因此改進的制造工藝十分必要。
通過對某公司銅換熱器的制造，經過反復試驗，最終確定采用強度焊+貼脹的新型制造工藝。
該設備采用U形換熱管管束，按GB/T151—2014《熱交換器》進行設計，產品結構如圖1所示，管板與換熱管連接結構如圖2所示。換熱管與管板焊接接頭型式不按比例，主要技術參數(shù)見表1，設備殼程、管程等主體材料如表2所示。
2、制造過程2．1工藝方案的制定方案一
強度脹一般要求管板表面硬度大于換熱管30HB為最佳狀態(tài)，但管板材料為S30408，銅管材料為TP1，材料S30408硬度遠高于TP1，為驗證強度脹是否能達到預期效果，進行了第一組試驗。采用19mm×1.2mm銅管TP1，管板S30408，厚度45mm。采用機械脹，脹度控制在6%～8%，按管壁減薄率理論計算脹后內徑為17.06～17.11mm進行脹接，最終脹接各管口內徑約17.15～17.24mm，均為過脹。試驗管板結構如圖3所示。
按TSG21—2016和GB/T150—2011進行1.5MPa水壓試驗，在加壓過程中已出現(xiàn)泄漏，如圖4所示。初步判斷可能在試驗制造過程中存在其他的影響因素，本次試驗失敗?？紤]到此現(xiàn)象有可能在實際產品中出現(xiàn)，為保證產品質量，擬采用其他方法。
方案二
借鑒其他單位制造經驗，擬在脹管前在銅管與管板間隙填塞金屬膠水，然后進行強度脹。但對于這類金屬，膠水穩(wěn)定性無試驗數(shù)據(jù)支撐，且對膠水在長期高溫下使用是否穩(wěn)定存在顧慮。
方案三S30408管板與TP1銅管焊接+貼脹。采用EＲNiCu－7氬弧焊焊絲進行焊接，焊接中，在不填絲情況下，接頭無法熔合。，需把握較好的電弧角度和送絲角度才能實現(xiàn)管板接頭完全連接，操作難度非常大。在試驗后仍有1/4的接頭存在泄漏，缺陷均為裂紋和未熔合。采用此方案，操作難度大，而且返修率較高。
方案四在S30408管板上堆焊一層鎳基焊材，銅與鎳合金的可焊接性比與不銹鋼的好。試驗采用在S30408管板上堆焊一層厚度4～5mm的Ni307B，加工后有效厚度3mm。試驗坡口參考圖2，管板厚度(45+3)mm。進行手工GTAW焊接和貼脹，水壓試驗4MPa，接頭密封性符合要求。性，按NB/T47014—2011進行了焊接工藝評定。S30408堆焊Ni307B，表面滲透檢測合格，側彎無裂紋，合格(見圖5)。
換熱管管板接頭按NB/T47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D進行評定，焊接接頭表面滲透檢測合格，8個面宏觀金相檢驗均合格，角焊縫厚度達到要求(見圖6)。
2．2制造工藝的選取
對上述方案進行分析：
方案1:對強度脹要求極高，且須保證管板管孔、換熱管厚度、外徑在極嚴格的公差范圍內，較難控制;
方案2:對金屬膠穩(wěn)定性無試驗數(shù)據(jù)支撐;
方案3:可行，但返修率較高;
方案4:通過堆鎳銅管與管板焊接接頭較好的連接性，且通過了耐壓試驗。
因此選取方案4進行制造，方案可行，且返修率較低。
2．3產品制造工藝實際制造過程中考慮整塊管板堆焊會發(fā)生變形，在管板毛坯表面預留高度3～4mm的圓弧形凸臺。堆焊完成后，管板整體向凸臺方向變形，管板堆焊表面水平，如圖7所示。
，每圈焊道均為同心圓，且堆焊方;堆焊完成后，表面進行100%滲透，合格。對管板表面和背面進行金加工、鉆孔、加工密封面，達到圖紙要求。不銹鋼與鎳焊接易形成熱裂紋，且在管板堆焊中，外徑方向變形加大，焊接應力會加劇熱裂紋的產生。因此，手工堆焊Ni307B過程中，需嚴格控制道間溫度，堆焊1～2層;如發(fā)現(xiàn)產生裂紋，需完全打磨去除缺陷后補焊。
管板焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊，不宜采用管板自動焊。手工鎢極氬弧焊可靈活調節(jié)電弧高度、方向、送絲角度等，熔合較好;而管板自動焊，當裝配間隙偏大或偏小、管口，見圖8，9。完成后對管板角焊縫進行100%PT，按NB/T47013。5—2011評定合格，而后進行貼脹。
換熱器殼程、管程按照常規(guī)壓力容器產品進行制作。在S30408堆，焊工需要按照TSGZ6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》取得FeⅣ堆焊鎳基焊條資格;管板焊接接頭焊工需要取得FeⅣ與銅及銅合金相焊的焊接資格(填充焊絲類別為鎳及鎳合金焊絲)。
3、小結本研究成功完成了銅制換熱器的制作，主要采用強度焊+貼脹的新型工藝，其可操作性及穩(wěn)定性均得到提高，更好地保證了產品質量。
另外，銅制換熱器中采用強度焊+貼脹工藝，使銅管塑性變形較小，損壞較少，避免采用形較大而產生拉裂的現(xiàn)象。
不銹鋼堆焊鎳基合金后與銅的可焊接性明顯改善，但不銹鋼堆焊鎳，必須嚴格控制道間溫度(不宜超過150℃)。銅管與堆焊鎳基的管板宜采用手工鎢極氬弧焊，更易保證焊縫質量。
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