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摘 要

本文针对典型的管板和筒体的焊接结构开展多层多焊道角变形研究试验，使用管板自动焊专机，MIG焊方法，实现管壳式换热器管板和筒体结构的焊接，测量不同夹具拆除时间、焊接电流、焊接电压、焊接速度等参数条件下焊接结构的变形量。通过实验确定了合适的焊接参数以及夹具拆除时间，达到了该产品焊接残余变形不大于3mm的生产要求。通过对实验数据的分析，获得了实验条件范围内，各参数对管板变形的影响规律，研究结果对控制换热器管板（与筒体）自动焊的成熟应用具有重要的指导意义。

研究结果表明：在电流270~320A，电压27~31V，焊接速度27~34cm/min，焊后1.5h拆除夹具等的参数条件下所焊接的管板接头变形量最小，满足产品生产质量要求。在实验研究参数范围内，随着焊接电流的增加，变形量增大；随着焊接电压的增加，变形量增大；随着焊接速度的增大，变形量减小；随着夹具拆除时间的增大，变形量减小。

关键词：换热器；管板-筒体焊接；焊接变形控制；自动焊

Abstract

In this paper, angular distortion of typical tube-sheet welding structure was studied. Automatic MIG method was adopted in the welding of a heat exchanger product. Residual deformations were measured under different parameters, such as welding current, welding speed, voltage and duration from welding completion to the removal of clamps. Optimum parameters were obtained and angular distortion less than 3mm can be met. The influence of various parameters on the deformation of the tube sheet within the range of experimental conditions is obtained by analyzing the experimental data. The experimental results obtained have important guiding significance for controlling the automatic welding deformation of the tube sheet (to cylindrical shell) of the heat exchanger.

The results revealed that under the conditions of a current of 270~320A, a voltage of 27~31V, a welding speed of 27~34cm/min, a removal time of the anti-deformation tooling of 1.5h, the deformation of the welded tube sheet joint is the smallest and meets the production quality requirements. Within the range of experimental research parameters, as the welding current increases, the deformation increases; as the welding voltage increases, the deformation increases; as the welding speed increases, the deformation decreases; as the removal time of the anti-deformation tooling increases, the deformation decreases.

Key Words：heat exchanger；tube sheet to cylindrical shell welding；control of deflection included from welding；automatic welding

目 录

第1章 绪论 1

1.1 管壳式换热器 1

1.2 管板自动焊与手工焊的比较 2

1.3 管板（与筒体）自动焊变形及防止措施 2

1.3.1 管板焊接变形主要原因 2

1.3.2 管板自动焊变形防止措施 3

1.4 国内外研究现状 5

1.5 本课题的主要研究内容 5

第2章 实验方案的拟定 6

2.1 换热器技术特性及结构简介 6

2.2 焊接方法及焊接材料的选择 7

2.2.1 确定焊接方法 7

2.2.2 焊接材料 7

2.3 实验仪器设备 9

2.3.1 焊接设备 9

2.3.2 其他实验仪器设备 9

2.4 实验方案设计 10

2.4.1 实验流程 10

2.4.2 实验方案 10

2.5 焊接工艺要求及焊前准备 11

2.5.1 焊接工艺要求 11

2.5.2 焊前准备 12

第3章 实验过程与结果分析 13

3.1 管板自动焊专机的操作及焊接要求 13

3.2 管板自动焊实验过程 15

3.3 防变形工装拆除时间对管板变形的影响研究 18

3.4 焊接工艺参数对管板变形的影响研究 20

3.4.1 焊接电流对管板变形的影响研究 20

3.4.2 焊接电压对管板变形的影响研究 22

3.4.3 焊接速度对管板变形的影响研究 24

第4章 结论与展望 27

参考文献 28

致谢 30

绪论

随着现代科学技术的进步，换热器已在制冷、化工、冶金等多个工业行业领域得到广泛应用^[1]。管壳式换热器具有整体结构更加紧固，能够承受更高压力，拆装和维修更加方便等特点，应用最广泛，因此，本课题选取管壳式换热器进行试验研究^[2-4]。在换热器生产制造和修复活动中，管板变形容易导致密封面不能严密贴合，达不到设计要求，将会影响设备使用，造成一定的经济损失^[5-6]。

管板变形主要是管板与筒体焊接时引起的角变形，以及管板和管束焊接时由于不均匀输入而导致的不均匀变形^[5]。由于麦克维尔空调制冷（武汉）公司采用胀接方式连接换热管和管板，而在胀接过程中管板基本不变形，因此以控制换热器管板与筒体焊接过程中引起的变形为主，本课题主要探讨的是管板-筒体焊接过程中产生的变形。随着科学技术的发展，自动焊已逐步取代手工焊，采用自动焊专机对管板与壳体进行焊接，焊接质量比手工焊更容易保证，但仍然存在管板变形的问题。这是由于管板自动焊接专机对于每道焊缝均为一次成型，在多层多道焊下，会使焊接温度持续升高，造成焊接部位过热而变形^[7]。因此，需要根据管板变形的主要影响因素，研究了解管板变形与主要影响因素的关系规律，才能更好地解决换热器管板与筒体焊接过程中因管板变形导致的质量缺陷。

管壳式换热器

管壳式换热器因其标准化规范化在工业行业领域所使用的换热设备中占据主要地位，具有以下优点：适应性强，能在高温高压条件下工作，结构简单坚固，选材范围广制造方便且成本低，流通截面较宽、易于清洗水垢。

管壳式换热器的壳体多为圆筒形，分为管程和壳程这两个相互独立的工作空间，管板需要承受两个工作空间的工作载荷，是关键部件。管板角焊的焊接变形，极易严重影响换热设备的使用性能。管壳式换热器主要结构如图1-1所示。

1. 挡板 2-换热管 3-筒体 4-管箱 5-接管 6-管板

图1-1 管壳式换热器主要结构示意图

管板自动焊与手工焊的比较

同种工况下，自动焊与手工焊的特点见表1-1。

表1-1 自动焊与手工焊的比较

自动焊能满足大批量生产，可以有效节省劳动力，因此，先进、高效率的自动氩弧焊必将成为管板焊接的主要焊接方法^[8]。

使用自动氩弧焊设备焊接换热器管板和筒体，焊接质量很好，与手工焊接相比较，前者的返修率要小得多，但管板仍然有变形问题^[9]。

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