【原】新工艺：小管径内孔焊管板孔结构和加工

   本文主要介绍了一种新型内孔焊焊接接头形式及管板孔的加工工艺，其中，内孔焊管板孔应力释放槽的加工难度最大。

（示意图，不对应文中任何具体产品）

0  引言

内孔焊热交换器主要应用于管接头需要承载较大载荷、较小应力集中区、承受疲劳载荷等工况下，一般为石油、化工、核工业等装置中的核心设备。GB/T151—2014《热交换器》6.6.4.2 给出了4种内孔焊接头形式，广泛应用于换热管内径（≥φ25mm）较大的场合。然而，规格为 φ19×2/2.5mm、φ25×2/2.5mm等小管径换热管应用范围更广，要实现内孔焊受到焊接设备机头芯轴尺寸的限制，所以需要适合小管径内孔焊的管板结构，拓宽内孔焊的应用范围。

在某公司低压反应水冷器的设计过程中，结合内孔焊焊接工艺设计出适用于小管径换热管内孔焊的管板孔结构。结构参照GB/T151—2014中6.6.4.2 图6-22b），具体管板结构和接头形式见图1~图2。

1  内孔焊管板孔结构

 内孔焊管板孔由4部分组成：通孔、应力释放 槽、凸环和定位台。

• 通孔的直径需要考虑与换热管的内径差、焊机机头的尺寸，其决定了焊接接头是否成为对接形式，焊枪芯轴能否穿入和顺利抽出。
   
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  应力释放槽的作用是释放焊接后焊缝产生的残余应力；

• 不锈钢焊接时，背部易氧化需要保护，避免影响焊接接头机械性能，此位置可以放置背保护工装；

• 底部圆角过度，可以防止换热管与管板焊接后形成悬臂梁根部裂纹的产生；

• 环槽宽度不宜过宽， 且有利于刀具加工时铁屑的排出，背保护时有利于惰性气体的顺利排出，形成稳定的气体保护氛围； 深度上有利于背保护工装的安装固定，且不易周向窜动。

凸环既是限位台，防止换热管径向窜动，又是焊接垫板，焊接完成时完全熔入焊缝，形成单面焊双面成型的对接接头。

凸台厚度需要按照焊接工艺选取。

在焊接工艺开发过程中，制作了0.3mm、 0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm5种凸台厚度的管板孔试件。每种规格20个孔，其中凸环厚度为0.5mm的焊接成功率最高，0.3mm的容易焊穿，0.8mm以上厚度会出现不能完全熔入焊缝的情况，且随厚度的增加加剧。所以选择0.5mm最为适宜，且焊接工艺较合理，可以充分发挥焊机功能，配套设施比较简约。 

2  管板孔加工刀具

 管板孔的加工，其中通孔钻削，沉台加工均使用普通刀具，应力释放槽的加工需要专用刀具。根据公司现有数控多孔钻设备，要实现铣槽作业，一般刀具无法完成，仅可实现钻孔作业，需要拓展现有设备的功能，设计铣槽刀具，加工出环形、圆底槽，且具有一定深度。

方案一：   

采用专用铣槽刀具，这种刀具整体呈8面体结构，与数控多孔钻连接方式类似普通钻头。每次使用2组刀具，对称布置，铣槽刀具受力对称，刀头嵌入盲孔，防止轴向移动；用2个螺栓顶紧固定，防止轴向转动。

刀头形状插入底座部分为方形，以便固定，铣刀部分为圆柱形，底部为圆弧过度。2个刀头垂直方向相差一次进给量，快到加工深度时，只用一个刀头成型应力释放槽，既可加快速度，又可使槽成型完整（见图3）。

方案二：    

为了加快管板孔加工速度，一次成型最好。可以在复合钻铰刀的基础上增加应力释放槽和沉台加工刀具，实现孔的一次成型。不用换刀，管板孔各个部分之间同轴度提高。将复合钻铰刀加工成分段加工刀具，尾部增加放置应力释放槽加工刀头的刀架，刀架下边增加沉台加工刀具，二者行程重合1.5mm，即应力释放槽深度加工到3mm时，沉台加工刀具开始工作，实现一次成型。

3    管孔加工工艺

内孔焊管板孔加工需要按照一定的顺序进行， 主要是为了让孔各个部分成型完整，不会因工序错乱，导致成品破坏。管板孔应先进行通孔加工，然后加工应力释放槽，最后加工沉台，凸环随之成型。在管板加工初期，因工序问题，先加工沉台， 在应力释放槽的加工过程中，凸环遭到破坏，主要原因是，凸环厚度为0.5mm，在出屑过程中会被顶穿。

这些损坏的管孔给焊接带来麻烦：  

管接头会从损坏处破裂，熔敷金属流出，且严重降低焊接效率，单个损坏孔的焊接时间是正常孔的5~10倍。 加工时，几组刀具可以同时工作，提高加工速度，缩短加工时间，提高效率。加工过程中，刀具组件和旋转轴的连接可靠，防止发生周向和轴向滑动。刀具处螺栓必须有一定的预紧力，防止刀具晃动。整个系统须稳定，防止凸台加工过程的局部破坏。高速旋转的刀头，每次进给量为0.2mm，分多次进给，防止过程中刀具的损坏。

4    小结

内孔焊管板孔及焊接接头在GB/T151—2014图 6-22b）的基础上进行改进，以适用于小管径内孔焊的要求，拓宽了标准的适用范围。这种管板孔结构复杂，一般在镗铣加工中心进行加工，如果没有类似设备，需要结合现有设备进行工装设计，实现管孔加工。