CN111761191B - 一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置及方法，所述冷却装置包括水冷盘、管路、自动收缩器和导向结构，其中，所述水冷盘紧密贴合置于真空预热电子束焊接系统的转台上方，待焊工件置于转台和水冷盘上，随着转台正向或反向旋转，管路能够沿着导向凹槽缠绕在导向结构上或收卷在自动收缩器上，解决了在真空电子束焊机内长时间加热造成的高温设备损坏的难题，保证了预热焊接过程中设备的稳定运行，从而实现稳定可靠的真空预热电子束焊接。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，具体涉及一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置及方法。
背景技术
真空预热电子束焊接是一种新的焊接方法，将真空预热和电子束焊接技术相结合，能够有效提高特种材料焊接性，同时改善焊缝性能，真空电子束焊机为常温下工作，真空预热会造成大量的热辐射或热传导至电子束焊机内部，造成设备损坏，目前国内外尚无开展真空预热电子束焊接技术研发的相关报道，同时缺少相关冷却技术研发。
某环形构件焊缝因材料特殊，其环形焊缝需要进行真空预热电子束焊接，即在电子束焊机内进行真空预热至高温后再进行焊接，然而长时间高温会对电子束焊机造成损坏，特别是环形焊缝需要通过转台驱动，真空条件下热辐射和传导直接将热量传递给转台，造成转台温度过高而损坏，因此需要对电子束焊机内关键部件进行冷却，防止转台温度过高而损坏，急需一种技术解决该类环形焊缝预热电子束焊接产生的高温问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置及方法，用于环形焊缝真空环境下预热电子束焊接的冷却，采用本发明能够有效解决预热电子束焊接中的散热问题，实现转台的冷却降温，避免长时间高温造成设备损坏，且自动收缩器能够将水冷管路自动缠绕在转台上，解决了焊接过程中管路绕转问题，同时该水冷系统能够提高工件冷却速率，缩短生产周期。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置，所述冷却装置包括水冷盘、管路、自动收缩器和导向结构，其中，所述水冷盘紧密贴合置于真空预热电子束焊接系统的转台上方，待焊工件置于转台和水冷盘上，所述水冷盘由双层不锈钢板加工流道后通过焊接方式密封连接而成，所述流道采用回转形式均匀对称分布在水冷盘内部，并在一端形成入水口和出水口；所述导向结构固定在转台外周且表面设有环绕转台方向的导向凹槽，自动收缩器对应入水管路和出水管路设为两个，并排设置在转台一侧的基座上，管路从水冷盘入水口和出水口引出沿同一方向绕过导向结构上的导向凹槽后缠绕在各自的自动收缩器上，自动收缩器是能够绕自身中心旋转的可伸缩收卷机构，能够将多余管路自动收卷在其转盘上，内部设有弹簧，起到预紧力作用，防止管路在旋转过程中脱离导向结构，同时能够实现管路自动伸缩功能，管路自由端从自动收缩器上方中心引出，接外部水冷设备，管路内通冷却水实现水冷盘的冷却，随着转台正向或反向旋转，管路能够沿着导向凹槽缠绕在导向结构上或收卷在自动收缩器上。
进一步地，所述自动收缩器上缠绕的管路长度需满足焊接过程中转台旋转一周半所需的管路长度。
进一步地，所述水冷盘上流道的具体形状为，以水冷盘直径为分界，在一边的半圆内以扇形蛇形回旋，径向间距相同，回旋到靠近圆心位置时，以对称方式在另一边的半圆内以同样方式进行扇形蛇形回旋，并在在流道起始位置设置入水口和出水口。
一种环形焊缝的真空预热电子束焊接的冷却方法，包括如下步骤：
（1）将加热系统与待焊工件进行组装，冷却装置的水冷盘置于转台上方，待焊工件置于转台和水冷盘上方，管路分别连接进水口和出水口，经过导向机构的导向凹槽后缠绕在各自的自动收缩器上，管路自由端从自动收缩器上方中心伸出，并通过真空室法兰引出到真空室外部的水冷机上，各部件装配完成后进行压力测试，检验管路是否存在漏点；
（2）然后进行真空预热电子束焊接各个系统的检测，检测合格后关闭真空室炉门，打开真空泵组进行抽真空，待真空度优于1×10-2Pa后，开启水冷装置，同时开始加热待焊工件；
（3）当加热至所需温度后停止加热，通过旋转转台完成电子束示教、定位焊和正式焊接，由于自动收缩器上管路长度限制，每次转台旋转一周后，需要将转台反转一周回原位，整个过程中冷却系统始终开启，能够将加热的热量和电子束焊接输入的热量，通过水冷盘快速带走，减少热量向电子束焊机真空室及其他部件的辐射传热，减小长时间高温对设备造成的损坏；
（4）整个过程中冷却系统和温度监控系统始终开启，待焊工件温度降至100℃以下后进行真空室放气，打开炉门，拆除各个系统即完成待焊工件的真空预热焊接。
有益效果：本发明通过设计环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置及方法，解决了在真空电子束焊机内长时间加热造成的高温设备损坏的难题，本发明显著的优势在于：1、在真空环境下加热解决了真空预热电子束焊接长时间高温加热导致热量传导至转台，从而造成转台电机和线路损坏的问题；2、能够满足大型构件环焊缝焊接一周，冷却系统管路能够自动伸长和收缩，避免焊接过程中管路发生缠绕，保证设备正常运转；3、完成焊接后能够快速将热量快速交换至外界，提高工件降温冷却效率，缩短冷却时间。该发明能够在大型构件的真空预热焊接时起到很好的设备保护作用，保证了预热焊接过程中设备的稳定运行，从而实现稳定可靠的真空预热电子束焊接。
附图说明
图1 为环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置结构示意图；
图2 为水冷盘结构示意图。
附图标记：1、转台，2、水冷盘，2-1、流道，2-2、入水口，2-3、出水口，3、自动收缩器，4、导向结构，5、工件，6、基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明的真空预热电子束焊接用冷却装置如图1所示，包括水冷盘2，管路，自动收缩器3和导向结构4，其中，水冷盘2紧贴至于真空预热电子束焊接的转台1上方，待焊工件5置于转台1和水冷盘2上方，待焊工件需要完成环形焊缝的焊接，所述水冷盘2内部设有流道2-1，并在一端形成入水口2-2和出水口2-3；所述导向结构4固定在转台1外周且表面设有环绕转台1方向的导向凹槽，自动收缩器3设为两个，并排设置在转台1一侧的基座6上，管路分别从水冷盘2入水口2-2和出水口2-3引出沿同一方向绕过导向结构4上的导向凹槽后缠绕在各自的自动收缩器3上，管路自由端从自动收缩器3上方中心引出，接外部水冷设备，管路内通冷却水实现水冷盘2的冷却，随着转台1正向或反向旋转，管路能够沿着导向凹槽缠绕在导向结构4上或收卷在自动收缩器3上。
所述水冷盘2由双层不锈钢板加工流道2-1而成，并通过焊接方式密封连接而成，所述流道2-1采用回转形式均匀对称分布在水冷盘2内部，保证水流量均匀分布，同时能够有效减少压阻，在图2所示的水冷盘结构中，流道2-1以水冷盘2直径为分界，在一边的半圆内以扇形蛇形回旋，径向间距相同，回旋到靠近圆心位置时，以对称方式在另一边的半圆内以同样方式进行扇形蛇形回旋，均匀对称分布在水冷盘2内部，流道2-1在一端形成了入水口2-2和出水口2-3。
导向结构4为开口凹槽形式，固定在转台1侧方，水冷盘2的入水口2-2和出水口2-3管路绕过导向结构4上的导向凹槽后分别缠绕在自动收缩器3上，随着转台1和水冷盘2做旋转运动，当转台1正向旋转时，管路能够沿着导向凹槽缠绕在导向结构4上，反向旋转时，管路收卷在自动收缩器3上，避免加热系统热量直接辐射在管路上，防止管路老化烧损。
自动收缩器3是能够绕自身中心旋转的可伸缩收卷机构，能够将多余管路自动收卷在其转盘上，内部设有弹簧，起到预紧力作用，防止管路在旋转过程中脱离导向结构4，同时能够实现管路自动伸缩功能，自动收缩器3上管路长度需满足焊接过程中转台1旋转一周半所需的管路长度。
自动收缩器3的上方中心引出的管路不随自动收缩器3旋转，自动收缩器3内部有胶圈能够实现动密封功能，管路从自动收缩器3上方中心引出后，分别通过真空室法兰引出到真空室外部的水冷机上，管路内部通冷却水，用于实现水冷盘2的冷却。
具体真空预热焊接过程冷却装置工作步骤如下：
按照图示装配形式组装电子束焊接用冷却装置，待焊工件5置于真空电子束焊接装置（图中未具体示出）内部，并将加热系统与待焊工件5进行组装，其中水冷系统置于转台1上方，水冷盘2、自动收缩器3和管路按图1进行装配，完成后并进行压力测试，检验水路是否存在漏点；
然后进行各个系统的检测，检测合格后关闭真空室炉门，打开真空泵组进行抽真空，待真空度优于1×10-2Pa后，开启水冷系统，同时开始加热待焊工件5；
当加热至所需温度后停止加热，通过旋转转台完成电子束示教、定位焊和正式焊接，需要说明的是，由于自动收缩器上管路长度限制，每次转台旋转一周后，需要将转台反转一周回原位；按照既定焊接工艺进行焊接即可。
整个过程中冷却系统和温度监控系统始终开启，能够将加热的热量和电子束焊接输入的热量，通过水冷盘快速带走，减少热量向转台、电子束焊机真空室及其他部件的辐射传热，减小长时间高温对设备造成的损坏。
待焊工件温度降至100℃以下后进行真空室放气，打开炉门，拆除各个系统即可完成待焊工件的真空预热焊接。
实施例
本实施例提供了一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置的具体实施过程，具体步骤如下：
按照图示装配形式组装电子束焊接用冷却装置，完成后进行压力测试，检验水路是否存在漏点；其中转台直径2米，自动收缩器3直径为0.4米；
然后进行各个系统的检测，检测合格后关闭真空室炉门，打开真空泵组进行抽真空，待真空度优于1×10-2Pa后，开启水冷系统，同时开始加热待焊工件5；
当加热至所需温度（600℃）后停止加热，通过旋转转台完成电子束示教、定位焊和正式焊接，由于自动收缩器上管路长度限制，每次转台旋转一周后，需要将转台反转一周回原位；按照既定焊接工艺进行焊接即可；
整个过程中冷却装置和温度监控系统始终开启，能够将加热的热量和电子束焊接输入的热量，通过水冷盘快速带走，减少热量向转台、电子束焊机真空室及其他部件的辐射传热，减小长时间高温对设备造成的损坏；
待焊工件温度降至100℃以下后进行真空室放气，打开炉门，拆除各个系统，完成待焊工件的的真空预热焊接。
在未增加水冷系统时，转台温度会随着加热温度和时间的增加而增加，经试验预热温度达到200℃，持续加热时间达到2h时，此时转台温度达到60℃，转台温度过高影响正常工作；而利用本发明后，经试验，预热温度达到700℃，持续加热时间达到10h时，转台温度经测量仅为25℃，满足转台使用要求，起到很好的设备保护作用，有效保证了预热焊接过程中设备的稳定运行。
Claims (4)
1.一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括水冷盘、管路、自动收缩器和导向结构，其中，所述水冷盘紧密贴合置于真空预热电子束焊接系统的转台上方，待焊工件置于转台和水冷盘上，所述水冷盘由双层不锈钢板加工流道后通过焊接方式密封连接而成，所述流道采用回转形式均匀对称分布在水冷盘内部，并在一端形成入水口和出水口；所述导向结构固定在转台外周且表面设有环绕转台方向的导向凹槽，自动收缩器对应入水管路和出水管路设为两个，并排设置在转台一侧的基座上，管路从水冷盘入水口和出水口引出沿同一方向绕过导向结构上的导向凹槽后缠绕在各自的自动收缩器上，自动收缩器是能够绕自身中心旋转的可伸缩收卷机构，能够将多余管路自动收卷在其转盘上，内部设有弹簧，起到预紧力作用，防止管路在旋转过程中脱离导向结构，同时能够实现管路自动伸缩功能，自动收缩器内部有胶圈能够实现动密封功能，管路自由端从自动收缩器上方中心引出，分别通过真空室法兰引出并连接外部水冷设备，自动收缩器的上方中心引出的管路不随自动收缩器旋转，管路内通冷却水实现水冷盘的冷却，随着转台正向或反向旋转，管路能够沿着导向凹槽缠绕在导向结构上或收卷在自动收缩器上。
2.如权利要求1所述的一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置，其特征在于，所述自动收缩器上缠绕的管路长度需满足焊接过程中转台旋转一周半所需的管路长度。
3.如权利要求1所述的一种环形焊缝的真空预热电子束焊接用冷却装置，其特征在于，所述水冷盘上流道的具体形状为，以水冷盘直径为分界，在一边的半圆内以扇形蛇形回旋，径向间距相同，回旋到靠近圆心位置时，以对称方式在另一边的半圆内以同样方式进行扇形蛇形回旋，并在在流道起始位置设置入水口和出水口。
4.一种利用如权利要求1所述的冷却装置进行环形焊缝的真空预热电子束焊接的冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将加热系统与待焊工件进行组装，冷却装置的水冷盘置于转台上方，待焊工件置于转台和水冷盘上方，管路分别连接进水口和出水口，经过导向机构的导向凹槽后缠绕在各自的自动收缩器上，管路自由端从自动收缩器上方中心伸出，并通过真空室法兰引出到真空室外部的水冷机上，各部件装配完成后进行压力测试，检验管路是否存在漏点；
（2）然后进行真空预热电子束焊接各个系统的检测，检测合格后关闭真空室炉门，打开真空泵组进行抽真空，待真空度优于1×10-2Pa后，开启水冷装置，同时开始加热待焊工件；
（3）当加热至所需温度后停止加热，通过旋转转台完成电子束示教、定位焊和正式焊接，由于自动收缩器上管路长度限制，每次转台旋转一周后，需要将转台反转一周回原位，整个过程中冷却系统始终开启，能够将加热的热量和电子束焊接输入的热量，通过水冷盘快速带走，减少热量向电子束焊机真空室及其他部件的辐射传热，减小长时间高温对设备造成的损坏；
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