CN106862745B - 一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，使电子束的束斑绕着一个点做圆周运动，换热管和管板一起以该点为圆心做平动从而使束斑始终都能在待焊接换热管与管板之间的焊缝上移动，以实现对换热管与管板之间的焊接。采用该发明不仅能够避免在管板上焊接批量换热管时的遮挡问题，实现批量换热管与管板的可靠焊接，而且操作容易方便，可提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接领域，具体涉及一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法。

背景技术

管式换热器具有极高的导热性、良好的等温性、结构紧凑、可控制温度等一系列优点，目前在冶金、化工、炼油、锅炉、机械等行业广泛应用，并取得了显著的经济效益，在海洋舰船、潜艇领域中也具有非常广泛的应用前景。传统的换热器中管子与管板的连接为简单的端头封焊形式，只需采用普通的自动或手工TIG焊（惰性气体钨极保护焊），就能够满足要求。

然而，对于一种新型的换热器，如图1所示，换热管与管板的连接结构形式比较特殊，需要将换热管的一端伸出管板上相应安装孔后50-700mm的距离，每根换热管与相邻换热管的间距约为3-15mm（该距离指的是相邻换热管中心线间距减去两个换热管的半径之和后得到的差值），且管子直径细小，普通焊接方法无法接近焊缝区域进行焊接，而且焊接质量要求较高高，需要满足多项力学性能要求指标。

电子束焊接技术利用聚焦的电子束流撞击工件表面，将工件熔化实现焊接，目前高压型电子束焊接工作距离可达到1500mm，电子枪无需接近焊缝处，能够实现远距离焊接，且真空电子束焊接穿透能力强、热输入量小、焊接速度快、真空条件下焊缝纯净度高、焊接变形与残余应力小的众多优点，非常适合应用于此设计结构的焊接。

申请号为CN201610396529.9的发明专利申请公开了一种钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，该方法虽然能够解决该种换热器换热管与管板的焊接问题，但是对于直径较大的管板，以及换热管较多的换热器来说，不容易通过两个水平方向的移动（CN201610396529.9中在X轨道和Y轨道上的运动）来实现换热管最终绕自身轴线旋转的结果，从而会影响到生产效率，因此需要提出一种新的电子束焊接方法，以提高该种换热器中换热管与管板的焊接效率，弥补上述专利申请公开的技术方案的不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，能够弥补上述专利申请公开的技术方案的不足，生产效果高，生产成本低。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其中，换热管的外半径为R，其特征在于，包括如下步骤：

一）、将多根换热管装配到管板上各自对应的安装孔中，并相对固定；

二）、使管板水平位于电子束发射端的正下方，并与电子束发射端保持确定的工作距离，然后移动管板，使电子束垂直落在管板上端面的束斑与对应焊接换热管中心的距离为 S，将此时束斑所在的位置定义为点 O，其中，S>R，且S的大小需保证接下来的焊接过程中电子束与任一个换热管不会接触；随后，使电子束与竖直方向呈一定夹角，使落在管板上的束斑位于对应焊接换热管与管板之间的焊缝处；最后，采用选用的焊接工艺参数，使束斑沿着以点O为圆心，以S-R为半径的圆进行圆周运动的同时，使管板以点O为圆心，以S为半径与束斑同方向且同角速度进行平动；束斑和管板均绕点O运动360-720°以后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接；

三）、重复步骤二），直至完成所有换热管与管板之间的焊接。

步骤二）中，束斑和管板优选均绕点O运动540°以后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接，具体为：首先，X-Y工作台和束斑均绕点O运动90°以进行电子束束流的缓升起弧；然后，X-Y工作台和束斑绕点O运动360°以进行电子束的平稳焊接，最后X-Y工作台和束斑绕点O运动90°以进行电子束束流的缓降收弧，完成一个换热管与管板之间的焊接，其中，管板固定在X-Y工作台上随X-Y工作台运动。

步骤二）中，电子束和工件优选均处于真空室内，真空室压力不大于5×10^-3Pa，其中所述的工件指的是换热管与管板装配后的共同体。

可以在所有换热管与管板的焊接完成后，采用修饰焊接工艺对各换热管与管板之间的焊缝处进行散焦修饰，焊接路径同步骤二）。

全部焊接完成后，可将工件在真空环境下冷却8-12min后消除真空，取出工件。

步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，优选加速电压为150 kV。

步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，电子束束流优选为2~15mA。

步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，电子束的焊接速度优选为300-1000mm/min。

有益效果：

根据本发明，使电子束的束斑绕着一个点做圆周运动，换热管和管板一起以该点为圆心做平动从而使束斑始终都能在待焊接换热管与管板之间的焊缝上移动，以实现对换热管与管板之间的焊接。该方法不仅能够避免在管板上焊接批量换热管时的遮挡问题，实现批量换热管与管板的可靠焊接，而且由于本方法通过换热管的平动和电子束束斑的圆周运动相结合实现换热器管与管板的焊接， 操作容易方便，可提高生产效率，降低生产成本。

采用本方法焊接后的换热管与管板的结合强度能够满足长期6MPa耐压使用要求，管子内壁无损伤或缩小等现象。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

图1为本发明所述的新型的换热器结构示意图。

图2为本发明实施时，换热管与管板的装配结构示意图。

图3为本发明具体实施过程中工件与束斑的初始位置状态示意图。

图4为本发明具体实施过程中束斑与对应焊接换热管的运动轨迹俯视示意图。

图5为具体实施过程中电子束与对应焊接换热管之间的位置关系图。

图6为本发明工作原理示意图（图中显示出了束斑和对应焊接换热管101均沿箭头所示方向绕点O运动过程中 ，对应焊接换热管101上四个点（A、B、C、D与束斑进行焊接的位置状态）。

图中，1、换热管，101、对应焊接换热管（指的是处在焊接过程中的那一根换热管），2、管板，3、X-Y工作台，4、电子束，401、束斑，5、束斑运动轨迹，6、换热管运动轨迹，P，对应焊接换热管中心。

具体实施方式

一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，具体实施方式步骤如下：

一、换热管1与管板2焊接前的准备工作：

1）、通过酸洗的方式清理待焊换热管与管板上残存油污，再用丙酮进行擦拭。

2）、将待焊接的多根换热管1安装到管板2上各自对应的安装孔中，装配结构形式如图2所示，装配时需保证换热管1的管壁与管板2的垂直度，装配完成后采用扩管的方式实现换热管1的外壁与安装孔之间的紧密配合，使用丙酮冲洗换热管与管板之间接触面及附近的部位；

3）、利用压缩空气清理管板机换热管表面灰尘颗粒；

4）、利用工装将装配完成后的工件（即换热管与管板装配后的共同体）固定在电子束焊机的X-Y工作台3上，注意保持待焊工作面（指的是管板2的上端面）的水平度，电子枪的发射端与待焊工作面的距离（以下简称工作距离）可根据实际情况在200~1200mm之间进行选用，以方便焊接为宜；本实施方式采用的电子束焊机的X-Y工作台3与电子束发射枪之间具有联动功能，使得电子束束斑的运动与对应焊接换热管的运动（实际是管板的运动，管板随着X-Y工作台3运动从而带动所有换热管运动）之间能够保持协调与同步。

二、电子束焊接过程：

1）、抽取电子束焊机真空室内的空气到真空室内的压力小于5×10^-3Pa；

2）、调整电子束的加速电压为150KV，采用0.5-2mA的小束流寻找焊接位置：具体可通过数控移动X-Y工作台3，先使对应焊接换热管101的中心移动到电子束垂直落在管板上端面上的束斑401的正中心处，如图3所示；然后再向右（此处的方向与图3本身的左右相一致）移动X-Y工作台3，使束斑401位于对应焊接换热管101 的左边，且与对应焊接换热管的中心的距离为S，将此时束斑所在的位置定义为点O，如图4所示。其中S>R，R 为换热管的外半径，S的大小还需保证接下来的焊接过程中电子束与任一个换热管不会接触；随后，使电子束4与竖直方向呈一定夹角，使落在管板上的束斑位于对应焊接换热管101与管板2之间的焊缝处，如图5所示；最后，采用选用的焊接工艺参数，使束斑沿着以点O为圆心，以S-R为半径的圆进行圆周运动的同时，使管板以点O为圆心，以S为半径与束斑同方向且同角速度进行平动；束斑和管板均绕点O运动360-720°后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接。

束斑和管板具体绕点O的运动角度，根据电子束实际需要起弧和收弧的情况进行确定，如果不需要起弧和收弧，则束斑和管板均绕点O运动360 °后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接；如果需要起弧和收弧，则需要转动的角度大于360°，比如，可以选择如下方式进行焊接：

首先，使X-Y工作台和束斑均绕点O运动90°，进行电子束束流的缓升起弧；然后，X-Y工作台和束斑继续绕点O运动360°，进行电子束的平稳焊接，最后X-Y工作台和束斑继续绕点O运动90°，进行电子束束流缓降收弧，完成一个换热管与管板之间的焊接，采用这样的方式，X-Y工作台和束斑均绕点O 运动的角度即为540°。

实际操作中，电子束束流起弧和收弧的角度可以根据需要在0-180°之间进行选择。

重复步骤2）将所有的换热管与管板焊接在一起后，进入下一个步骤。

3）、采用修饰焊接工艺对各个焊缝处进行电子束散焦修饰焊接，焊接路径与步骤2）相同；

4）、依次对管板上各焊缝处进行电子束盖面修饰焊接；

5）、上述焊接完成后，将工件在真空环境中冷却8-12min，然后去真空并取出焊接完成的工件，整个焊接工作完成。

上述具体实施方式中，步骤2）中选用的焊接工艺参数如下：采用焊接速度300~600mm/min，加速电压150kV，电子束束流2~15mA，步骤3）中采用如下焊接工艺参数：焊接速度280-320mm/min，加速电压150kV，电子束束流2~10mA，工作距离200~1000mm。

实施例1：

根据上述具体实施方式，以均为钛合金材料的换热管与管板之间的焊接为例，进一步说明本发明尤其是其中一些参数的应用。

该实施例中，换热管与管板的材质均为TA2，换热管规格为Φ15×2（即换热管的外半径R为7.5mm，厚度为2mm），换热管伸出管板上端的长度为500mm，相邻换热管的中心线距离为20mm。

具体操作步骤如下：

1）、通过酸洗的方式清理待焊换热管与管板上残存油污，再用丙酮进行擦拭。

2）、将待焊接的多根换热管1安装到管板2上各自对应的安装孔中，装配结构形式如图2所示，装配时需保证换热管1的管壁与管板2的垂直度，装配完成后采用扩管的方式实现换热管1的外壁与安装孔之间的紧密配合，使用丙酮冲洗换热管与管板之间接触面及附近的部位；

3）、利用压缩空气清理管板机换热管表面灰尘颗粒；

4）、利用工装将装配完成后的工件（即换热管与管板装配后的共同体）固定在电子束焊机的X-Y工作台3上，注意保持待焊工作面（指的是管板2的上端面）的水平度，电子枪的发射端与待焊工作面的距离（以下简称工作距离）选用1000mm ；本实施方式采用的电子束焊机的X-Y工作台3与电子束发射枪之间具有联动功能，使得电子束束斑的运动与对应焊接换热管的运动（实际是管板的运动，管板随着X-Y工作台3运动从而带动所有换热管运动）之间能够保持协调与同步。

二、电子束焊接过程：

1）、抽取电子束焊机真空室内的空气到真空室内的压力小于5×10^-3Pa；

2）、调整电子束的加速电压为150KV，采用0.5-2mA的小束流寻找焊接位置：具体可通过数控移动X-Y工作台3，先使对应焊接换热管101的中心移动到电子束垂直落在管板上端面上的束斑401的正中心处，如图3所示；然后再向右（此处的方向与图3本身的左右相一致）移动X-Y工作台3，使束斑401位于对应焊接换热管101 的左边，且与对应焊接换热管的中心的距离为S，将此时束斑所在的位置定义为点 O，如图4所示。该实施例中，S的值确定为9.5mm；随后，使电子束4与竖直方向呈一定夹角，使落在管板上的束斑位于对应焊接换热管101与管板2之间的焊缝处，如图5所示；最后，采用选用的焊接工艺参数，使束斑沿着以点O为圆心，以2mm为半径的圆进行圆周运动的同时，使管板以点O为圆心，以9.5mm为半径与束斑同方向且同角速度进行平动；束斑和管板均绕点O运动540°后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接。

该步骤中，束斑和管板绕点O运动的过程具体如下：首先，使X-Y工作台和束斑均绕点O运动90°，进行电子束束流的缓升起弧；然后，X-Y工作台和束斑继续绕点O运动360°，进行电子束的平稳焊接，最后X-Y工作台和束斑继续绕点O运动90°，进行电子束束流缓降收弧，完成一个换热管与管板之间的焊接，采用这样的方式，X-Y工作台和束斑均绕点O 运动的角度即为540°。

重复步骤2）将所有的换热管1与管板2焊接在一起后，进入下一个步骤。

3）、上述焊接完成后，采用修饰焊接工艺对各个焊缝处进行电子束散焦修饰焊接，焊接路径与步骤2）相同；

4）、依次对管板上各焊缝处进行电子束盖面修饰焊接；

5）、上述焊接完成后，将工件在真空环境中冷却10min，然后除去真空并取出焊接完成的工件，整个焊接工作完成。

本实施例中，步骤2）中选用的焊接工艺参数如下：采用焊接速度500mm/min，加速电压150kV，电子束束流12mA，步骤3）中采用如下焊接工艺参数：焊接速度300mm/min，加速电压150kV，电子束束流10mA，工作距离也为1000mm。

本发明采用能量集中、热输入小、穿透能力强、可控性好的电子束作为施焊热源，能够在焊接时控制热输入量，可防止管子在焊接时发生变形，进一步地，焊接过程在真空室进行，可避免大气中有害气体对焊接接头性能的影响，有效地提高了接头综合性能； 不仅可避免其他焊接方式在换热管与管板处不可接近的限制，实现了换热管与管板之间的焊接；而且本发明中采用换热管的平动和电子束束斑的圆周运动相结合实现换热器管与管板的焊接，操作更加容易方便，可提高生产效率，降低生产成本。

本文未详述部分为现有技术，且以上具体实施方式和实施例均是为了说明本发明，其并不构成对本发明的限定，本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下通过任何改动而得到的技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其中，换热管的外半径为R，其特征在于，包括如下步骤：

一）、将多根换热管装配到管板上各自对应的安装孔中，并相对固定；

二）、使管板水平位于电子束发射端的正下方，并与电子束发射端保持确定的工作距离，然后移动管板，使电子束垂直落在管板上端面的束斑与对应焊接换热管中心的距离为S，将此时束斑所在的位置定义为点 O，其中，S>R，且S的大小需保证接下来的焊接过程中电子束与任一个换热管不会接触；随后，使电子束与竖直方向呈一定夹角，使落在管板上的束斑位于对应焊接换热管与管板之间的焊缝处；最后，采用选用的焊接工艺参数，使束斑沿着以点O为圆心，以S-R为半径的圆进行圆周运动的同时，使管板以点O为圆心，以S为半径与束斑同方向且同角速度进行平动；束斑和管板均绕点O运动360-720°以后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接；

三）、重复步骤二），直至完成所有换热管与管板之间的焊接。

2.根据权利要求1所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤二）中，束斑和管板均绕点O运动540°以后停止，完成一个换热管与管板之间的焊接，具体为：首先，X-Y工作台和束斑均绕点O运动90°以进行电子束束流的缓升起弧；然后，X-Y工作台和束斑绕点O运动360°以进行电子束的平稳焊接，最后X-Y工作台和束斑绕点O运动90°以进行电子束束流的缓降收弧，完成一个换热管与管板之间的焊接，其中，管板固定在X-Y工作台上随X-Y工作台运动。

3.根据权利要求1所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤二）中，电子束和工件均处于真空室内，真空室压力不大于5×10^-3Pa，其中所述的工件指的是换热管与管板装配后的共同体。

4.根据权利要求3所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：所有换热管与管板的焊接完成后，采用修饰焊接工艺对各换热管与管板之间的焊缝处进行散焦修饰，焊接路径同步骤二）。

5.根据权利要求4所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：全部焊接完成后，将工件在真空环境下冷却8-12min后消除真空，取出工件。

6.根据权利要求1所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，加速电压为150 kV。

7.根据权利要求1所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，电子束束流为2~15mA。

8.根据权利要求1所述的一种管式换热器中换热管与管板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤二）中，选用的焊接工艺参数中，电子束的焊接速度为300-600mm/min。