CN107511610A - 一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，包括控制器、喷嘴系统以及为喷嘴系统供给高压水射流的高压水泵，喷嘴系统包括喷嘴调节器和若干个喷嘴，喷嘴调节器包括相连的外壳和端盖，若干个喷嘴沿外壳外圆周方向均布，各喷嘴均与高压水泵相连；所述设备还包括带动所述外壳和喷嘴沿X轴方向平移的X向驱动装置、沿Y轴方向平移的Y向驱动装置以及沿Z轴方向升降的Z向驱动装置。本发明利用高压水射流技术来降低不同规格换热器的不同直径的环形焊缝的残余应力，适用范围广，降低残余应力效果好。

Description

一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。同时换热器在使用过程中由于各方面的原因引起换热器的失效给企业带了许多严重的安全问题，同时造成了不可估量的经济损失。因此防止热器的失效尤为重要。

换热器最主要的失效形式为管子与管板的连接失效。管子与管板焊接过程中产生的焊接残余应力，有时竟可以达到材料的屈服极限，为应力腐蚀开裂提供了条件。为了防止此种原因引起的换热器失效，需要降低管子与管板连接焊缝的残余应力。

利用高压水射流技术来降低焊接残余应力是一种新兴的方法，相较于传统的方法其具有强化效果好、成本低、无污染、便于实现自动化和容易对狭窄、深凹槽部位进行强化等诸多优点，由于目前没有成熟的设备，此方法还未在工业中实现应用。

发明内容

本发明为解决上述现有技术存在的不足之处，提供了一种采用高压水射流技术降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备。

本发明所采用的技术方案为：

一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，包括控制器、喷嘴系统以及为喷嘴系统供给高压水射流的高压水泵，喷嘴系统包括喷嘴调节器和若干个喷嘴，喷嘴调节器包括相连的外壳和端盖，若干个喷嘴沿外壳外圆周方向均布，各喷嘴均与高压水泵相连；所述设备还包括带动所述外壳和喷嘴沿X轴方向平移的X向驱动装置、沿Y轴方向平移的Y向驱动装置以及沿Z轴方向升降的Z向驱动装置。

所述Y轴驱动装置包括第一电机和第一滚珠丝杠副，第一滚珠丝杠副包括相互适配的第一丝杠螺母和第一丝杠，第一丝杠沿Y向设置，第一丝杠螺母套置在第一丝杠的外侧，且第一丝杠螺母与第一电机的输出轴相连，第一电机与上述控制器相连；所述第一丝杠的末端与端盖相连。

所述X向驱动机构包括滑动支架、第二电机、齿轮、齿轮轴、齿条及沿X向铺设的横向导轨，第二电机与上述控制器相连，所述第一电机设置在滑动支架上并随滑动支架同步运动，齿轮与齿条啮合传动，齿条铺设在横向导轨上，齿轮通过齿轮轴安装在滑动支架上，齿轮轴与第二电机的输出轴相连，第二电机带动齿轮沿齿条移动，从而带动滑动支架沿横向导轨平移。

所述Z向驱动机构包括第三电机和第二滚珠丝杠副，第三电机与上述控制器相连，第三电机和第二滚珠丝杠副均有两套，其中一套位于横向导轨的左侧、另一套位于横向导轨的右侧，各第二滚珠丝杠副均包括第二丝杠，两套第二滚珠丝杠副还包括开设在横向导轨左端以及开设在横向导轨右端的第一螺纹孔，第一螺纹孔与第二丝杠相适配，第二丝杠与第三电机的输出轴相连，第三电机带动第二丝杠旋转，从而带动横向导轨升降。

所述设备还包括升降导向机构，升降导向机构包括分别设置在横向导轨左右两侧的导向柱，横向导轨的左侧和右侧分别套置在导向柱上。

所述喷嘴调节器还包括调节机构，调节机构设置在外壳内，调节机构用于改变若干个喷嘴配合形成的圆周的直径大小，即用于改变若干个喷嘴喷射形成的水射流圆周的大小。

所述调节机构包括第四电机、第三滚珠丝杠副、圆台和喷嘴套筒，第四电机与上述控制器相连，第三滚珠丝杠副包括第三丝杠及与第三丝杠相适配的第三丝杠螺母，第三丝杠螺母套置在第三丝杠的外侧，第四电机的输出轴与第三丝杠螺母相连并带动第三螺母旋转，第三丝杠的一端与圆台相连，第四电机带动第三丝杠螺母转动，从而带动第三丝杠直线进给，进而带动圆台沿第三丝杠轴向滑移，圆台的外径沿其轴向逐渐变大或逐渐变小，喷嘴套筒的数量与喷嘴的数量相等，一个喷嘴对应安装在一个喷嘴套筒内，各喷嘴套筒的一端伸出至外壳外侧、另一端伸入外壳内并与圆台表面相接触，圆台表面为光滑表面，圆台滑移带动喷嘴套筒沿外壳伸出或回缩。

所述设备还包括用于辅助定位喷嘴位置的辅助定位装置，辅助定位装置包括激光发射器，激光发射器设置在所述外壳上，且激光发射器发射的激光束与各喷嘴发出的水射流位于同一圆周上。

所述喷嘴系统还包括用于带动所述外壳和喷嘴进行旋转的旋转驱动机构。

所述旋转驱动机构包括连接头、第一连接管、第五电机、旋转接头和齿轮啮合传动组件，连接头设置在外壳内，各喷嘴的末端均与连接头相连通，连接头与第一连接管相连通，第一连接管与旋转接头相连，第五电机与上述控制器相连，所述外壳的末端插入端盖内，且端盖内开设有与外壳末端相适配的第一旋转滑槽，旋转接头设置在端盖的中央，且端盖中央位置处开设有与旋转接头相适配的第二旋转滑槽，第五电机与上述控制器相连，所述齿轮啮合传动组件包括内齿轮和外齿轮，第五电机的输出轴与外齿轮相连，外齿轮设置在内齿轮内侧并与内齿轮相啮合，内齿轮的外轮廓与外壳的内壁固连，第五电机的输出轴旋转并通过内、外齿轮带动外壳和喷嘴旋转。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明可在X向、Y向以及Z向驱动装置的作用下灵活地调整喷嘴与焊缝之间的相对位置，以适应降低不同规格的换热器管子和管板焊缝的残余应力的需求，避免了设备的换型，扩大了设备的适用范围。

2、本发明中的喷嘴在旋转驱动机构的作用下能够灵活转动，使环形焊缝能够受到高压水射流的均匀冲击，焊缝内部残余应力降低效果好。

3、本发明中各喷嘴所围成的圆周的直径可调，以适应不同直径的环形焊缝的需求，且利用激光发射器发射的激光束作为参照辅助定位喷嘴与环形焊缝的相对位置，进一步提高了定位的准确性，提高了降低残余应力的效果。

4、本发明能够实现闭环控制，运转机动灵活，可用于降低多种环形焊缝(如直线型焊缝、角焊缝等)的残余应力。而且，利用本发明中的设备喷射高压水射流处理换热器上的焊缝，可使焊缝区表面等效塑性应变增大，高压水射流处理作用在内部存在残余拉应力的金属焊缝表面上，其携带的巨大冲击压应力在材料表层产生足够的塑性变形，使残余应力得到松弛。而且，经高压水射流处理后的工件，焊缝表面及热影响区的残余应力得到了很大程度上的降低，在焊缝区产生压缩应力，有效控制了疲劳源的萌生了裂纹的扩展。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2利用本发明降低换热器管子和管板焊缝应力时的工作状态示意图。

图3为图2的右视图。

图4为本发明中喷嘴调节器的半剖图。

其中，

1、底板 2、供水管 3、底座 4、第二丝杠 5、喷嘴 6、激光发射器 7、喷嘴调节器 8、导向柱 9、第三电机 10、第一丝杠螺母 11、第一电机 12、控制器13、第一丝杠 14、齿轮15、齿条 16、高压水泵 17、进水口 18、出水口 19、管子 20、焊缝 21、管板 22、第三丝杠23、第四电机 24、外壳 25、横向导轨 26、三相连接头 27、第五电机 28、滑动支架 29、第二接管 30、旋转接头 31、端盖 32、第一接管 33、圆台 34、喷嘴套筒 35、第二电机 36、第三丝杠螺母 37、内齿轮 38、外齿轮

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图4所示，一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，包括控制器12、喷嘴系统以及为喷嘴系统供给高压水射流的高压水泵16。所述控制器12的作用是控制下述各电机的运转以达到控制整个设备的目的，下述各电机通过线路与控制器12相连，由控制器12发布指令来实现整个降低焊缝残余应力的过程。

所述喷嘴系统包括喷嘴调节器7和三个喷嘴5，喷嘴调节器7包括相连的外壳24和端盖31，三个喷嘴5沿外壳24外圆周方向呈120°夹角均布。

为适应不同管子19和管板21之间的不同直径的环形焊缝20的需求，所述喷嘴调节器7还包括调节机构，调节机构设置在外壳24内，调节机构用于改变由三个喷嘴5配合形成的圆周的直径大小。

具体地来说，所述调节机构包括第四电机23、第三滚珠丝杠副、圆台33和喷嘴套筒34。第四电机23与上述控制器12相连，第三滚珠丝杠副包括第三丝杠22及与第三丝杠22相适配的第三丝杠螺母36，第三丝杠螺母36套置在第三丝杠22的外侧，第四电机23的输出轴与第三丝杠螺母36相连并带动第三丝杠螺母36旋转。所述第三丝杠22与圆台33相连，第四电机23带动第三丝杠螺母36转动，从而带动第三丝杠33实现直线进给运动，进而带动圆台33沿第三丝杠22轴向滑移。所谓圆台33，指的是以直角梯形垂直于底边的腰所在直线为旋转轴，其余各边旋转而形成的曲面所围成的几何体。因此圆台33的外径要么沿其轴向逐渐变大，要么沿其轴向逐渐变小。所述喷嘴套筒34有三个，一个喷嘴5对应安装在一个喷嘴套筒34内，各喷嘴套筒34的一端伸出至外壳24外侧、另一端伸入外壳24内并与圆台33表面相接触。圆台33表面为光滑表面，圆台33沿轴向进给时因其自身外径的变化会带动喷嘴套筒34沿外壳24上开设有供喷嘴套筒34穿过的定位孔伸出或回缩，进而带动喷嘴5沿所述定位孔伸出或回缩，从而实现了三个喷嘴5所围成的喷射圆周直径的变化。

当然，本发明中喷嘴5的数量并不仅仅局限于上述的三个喷嘴，还可以设置更多个，只要能满足其在外壳24周向均布且可实现沿定位孔伸出或回缩即可。

为使环形焊缝20能够受到高压水射流的均匀冲击，所述喷嘴系统还包括用于带动所述喷嘴系统进行旋转的旋转驱动机构。所述旋转驱动机构包括连接头、第一连接管32、第五电机27、旋转接头30和齿轮啮合传动组件。当所述喷嘴5有三个时，所述连接头为三相连接头26，三相连接头26设置在外壳24内，各喷嘴5的末端均与三相连接头26相连通，三相连接头26与第一连接管32相连通，第一连接管32与旋转接头30相连，第五电机27与上述控制器12相连。所述外壳24的末端插入端盖31内，且端盖31内开设有与外壳24末端相适配的第一旋转滑槽，旋转接头30设置在端盖31的中央，且端盖31中央位置处开设有与旋转接头30相适配的第二旋转滑槽，所述齿轮啮合传动组件包括内齿轮37和外齿轮38，第五电机27的输出轴与外齿轮38相连，外齿轮38设置在内齿轮37的内侧并与内齿轮37相啮合，从而带动内齿轮的转动，内齿轮37的外轮廓与外壳24的内壁固连，第五电机27通过内、外齿轮带动外壳24和喷嘴5的旋转，喷射水射流的过程中，三个喷嘴5的旋转使环形焊缝20受到高压水射流均匀的冲击，以达到均匀降低焊缝内部残余应力的效果。

所述高压水泵16设置在底板1上，高压水泵16为各喷嘴5供给高压水射流。高压水泵16上设置有进水口17和出水口18，进水口17外接水源，出水口18通过输水管路各为喷嘴5供给高压水射流。输水管路包括供水管2、第二连接管29，供水管2的一端与高压水泵16的出水口18相连通、另一端与第二连接管29相连通，第二连接管29与上述的第一连接管32相连通。因此，高压水依次经高压水泵16、供水管2、第二连接管29、第一连接管32、三相连接头26进入喷嘴5，并由喷嘴5喷出。

为了适应不同规格的换热器管子19与管板21间焊缝20的降低残余应力的需求，需要准确调节喷嘴5与焊缝20之间的相对位置，因此本发明中的设备还包括用于调节喷嘴5与焊缝20之间相对位置的三轴联动系统，该三轴联动系统包括带动所述外壳24和喷嘴5沿X轴方向平移的X向驱动装置、沿Y轴方向平移的Y向驱动装置以及沿Z轴方向升降的Z向驱动装置。所述X向即为普通意义上的横向，Y向为纵向，Z向为竖向。

具体地来说，所述Y轴驱动装置包括第一电机11和第一滚珠丝杠副，第一滚珠丝杠副包括相互适配的第一丝杠螺母10和第一丝杠13，第一丝杠13沿Y向设置，第一丝杠螺母10套置在第一丝杠13的外侧，第一丝杠螺母10与第一电机11的输出轴相连，第一电机11与上述控制器12相连。所述端盖31与第一丝杠13的末端相连。所述第一电机11带动第一丝杠螺母10旋转，进而带动第一丝杠13沿Y向进给，从而带动端盖31沿Y向进给，实现了喷嘴系统沿Y向的移动。

所述X向驱动机构包括滑动支架28、第二电机35、齿轮14、齿轮轴、齿条15及沿X向铺设的横向导轨255。第二电机35与上述控制器12相连，所述第一电机11设置在滑动支架28上并随滑动支架28同步运动。齿轮14与齿条15啮合传动，齿条15铺设在横向导轨25上，齿轮14通过齿轮轴安装在滑动支架28上，齿轮轴与第二电机35的输出轴相连，第二电机35带动齿轮14沿齿条15移动，从而带动滑动支架28沿横向导轨25平移，实现了喷嘴系统沿X向的移动。

所述Z向驱动机构包括第三电机9和第二滚珠丝杠副。第三电机9与上述控制器12相连，第三电机9和第二滚珠丝杠副均有两套，其中一套位于横向导轨25的左侧、另一套位于横向导轨25的右侧。所述底板1顶端面的两侧设置有用于安装第三电机9的底座3。各第二滚珠丝杠副均包括第二丝杠4，两套第二滚珠丝杠副还包括开设在横向导轨25左端以及开设在横向导轨25右端的第一螺纹孔，第一螺纹孔与第二丝杠4相适配，第二丝杠4与第三电机9的输出轴相连，第三电机9带动第二丝杠4旋转，进而带动横向导轨25升降，实现了喷嘴系统沿Z向的移动。所述设备还包括升降导向机构，升降导向机构包括分别设置在横向导轨25左右两侧的导向柱8，横向导轨25的左侧和右侧分别套置在导向柱8上。

所述设备还包括用于辅助定位喷嘴位置的辅助定位装置，辅助定位装置包括激光发射器6，激光发射器6设置在所述外壳24上，且激光发射器6发射的激光束与各喷嘴5发出的水射流位于同一圆周上，具体的来说，激光发射器6的一端伸入外壳24内且与圆台33相接触，激光发射器6的另一端伸出至外壳24外侧且与各喷嘴5围成一个圆周，圆台33运动实现激光发射器6与各喷嘴5的同步进给，激光发射器6发出的激光束与各喷嘴5发出的水射流共同配合形成一圆筒状包围圈，当喷嘴5通过上述三轴联动系统完成粗定位后，以激光发射器6发出的激光束为参照进行喷嘴5与焊缝20之间相对位置的微调，以实现精准定位。

实际应用过程中，工作人员操作控制器12，先通过三轴联动系统调节喷嘴5与焊缝20的距离，再通过调节机构调节三个喷嘴5所在圆周的直径，整个定位过程以激光发射器6发射的激光束为参照进行辅助定位。完成定位工作以后，通过控制器12发布指令，第五电机27运转并带动整个喷嘴系统运转，喷嘴系统旋转3～5次后，第五电机27停止运转；然后利用上述三轴联动系统和调节机构将喷嘴系统切换至下一个环形焊缝20，如此循环直至完成对最后一个环形焊缝的降低残余应力的操作。上述整个过程均可通过控制器12变成完成，自动化程度高，定位精确。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，包括控制器、喷嘴系统以及为喷嘴系统供给高压水射流的高压水泵，喷嘴系统包括喷嘴调节器和若干个喷嘴，喷嘴调节器包括相连的外壳和端盖，若干个喷嘴沿外壳外圆周方向均布，各喷嘴均与高压水泵相连；所述设备还包括带动所述外壳和喷嘴沿X轴方向平移的X向驱动装置、沿Y轴方向平移的Y向驱动装置以及沿Z轴方向升降的Z向驱动装置。

2.根据权利要求1所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述Y轴驱动装置包括第一电机和第一滚珠丝杠副，第一滚珠丝杠副包括相互适配的第一丝杠螺母和第一丝杠，第一丝杠沿Y向设置，第一丝杠螺母套置在第一丝杠的外侧，且第一丝杠螺母与第一电机的输出轴相连，第一电机与上述控制器相连；所述第一丝杠的末端与端盖相连。

3.根据权利要求2所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述X向驱动机构包括滑动支架、第二电机、齿轮、齿轮轴、齿条及沿X向铺设的横向导轨，第二电机与上述控制器相连，所述第一电机设置在滑动支架上并随滑动支架同步运动，齿轮与齿条啮合传动，齿条铺设在横向导轨上，齿轮通过齿轮轴安装在滑动支架上，齿轮轴与第二电机的输出轴相连，第二电机带动齿轮沿齿条移动，从而带动滑动支架沿横向导轨平移。

4.根据权利要求3所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述Z向驱动机构包括第三电机和第二滚珠丝杠副，第三电机与上述控制器相连，第三电机和第二滚珠丝杠副均有两套，其中一套位于横向导轨的左侧、另一套位于横向导轨的右侧，各第二滚珠丝杠副均包括第二丝杠，两套第二滚珠丝杠副还包括开设在横向导轨左端以及开设在横向导轨右端的第一螺纹孔，第一螺纹孔与第二丝杠相适配，第二丝杠与第三电机的输出轴相连，第三电机带动第二丝杠旋转，从而带动横向导轨升降。

5.根据权利要求3或4所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述设备还包括升降导向机构，升降导向机构包括分别设置在横向导轨左右两侧的导向柱，横向导轨的左侧和右侧分别套置在导向柱上。

6.根据权利要求1所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述喷嘴调节器还包括调节机构，调节机构设置在外壳内，调节机构用于改变若干个喷嘴配合形成的圆周的直径大小，即用于改变若干个喷嘴喷射形成的水射流圆周的大小。

7.根据权利要求6所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述调节机构包括第四电机、第三滚珠丝杠副、圆台和喷嘴套筒，第四电机与上述控制器相连，第三滚珠丝杠副包括第三丝杠及与第三丝杠相适配的第三丝杠螺母，第三丝杠螺母套置在第三丝杠的外侧，第四电机的输出轴与第三丝杠螺母相连并带动第三螺母旋转，第三丝杠的一端与圆台相连，第四电机带动第三丝杠螺母转动，从而带动第三丝杠直线进给，进而带动圆台沿第三丝杠轴向滑移，圆台的外径沿其轴向逐渐变大或逐渐变小，喷嘴套筒的数量与喷嘴的数量相等，一个喷嘴对应安装在一个喷嘴套筒内，各喷嘴套筒的一端伸出至外壳外侧、另一端伸入外壳内并与圆台表面相接触，圆台表面为光滑表面，圆台滑移带动喷嘴套筒沿外壳伸出或回缩。

8.根据权利要求1所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述设备还包括用于辅助定位喷嘴位置的辅助定位装置，辅助定位装置包括激光发射器，激光发射器设置在所述外壳上，且激光发射器发射的激光束与各喷嘴发出的水射流位于同一圆周上。

9.根据权利要求1所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述喷嘴系统还包括用于带动所述外壳和喷嘴进行旋转的旋转驱动机构。

10.根据权利要求9所述的一种降低换热器管子和管板焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述旋转驱动机构包括连接头、第一连接管、第五电机、旋转接头和齿轮啮合传动组件，连接头设置在外壳内，各喷嘴的末端均与连接头相连通，连接头与第一连接管相连通，第一连接管与旋转接头相连，第五电机与上述控制器相连，所述外壳的末端插入端盖内，且端盖内开设有与外壳末端相适配的第一旋转滑槽，旋转接头设置在端盖的中央，且端盖中央位置处开设有与旋转接头相适配的第二旋转滑槽，第五电机与上述控制器相连，所述齿轮啮合传动组件包括内齿轮和外齿轮，第五电机的输出轴与外齿轮相连，外齿轮设置在内齿轮内侧并与内齿轮相啮合，内齿轮的外轮廓与外壳的内壁固连，第五电机的输出轴旋转并通过内、外齿轮带动外壳和喷嘴旋转。