CN112756723A - 一种双套管的内施压钎焊方法以及双套管焊接组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双套管的内施压钎焊方法以及双套管焊接组件，所述方法包括如下步骤：将双套管组装成双套管焊接组件，其中：所述双套管焊接组件包括双套管、钎料和内施压组件，所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，所述内施压组件在施焊过程中能够从内套管的内部对所述双套管施压；将所述双套管焊接组件放置在恒温区；对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度。该方法可解决超长小口径双套管不同部位的多道焊接问题，可使焊接接头结构完整，且有效地提升了焊接接头的质量。

Description

一种双套管的内施压钎焊方法以及双套管焊接组件
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种双套管的内施压钎焊方法以及用于钎焊的双套管焊接组件。
背景技术
金属的焊接方式目前有熔焊、钎焊、压焊等几种。对于双套管之间的焊接，采用一般的熔焊技术往往较难达到满意的焊接效果，尤其当内外套管之间需要进行大面积焊接时，只能采用其他的焊接方式。
如果双套管的内套管和外套管为异种金属，在很多情况下，由于异种金属的双套管的冶金特性不能满足压焊的条件，此时通常只能采用钎焊焊接方法。但是，对于管道来说，尤其是对于小口径管道，钎焊接口很难进行加压，然而，如果在钎焊过程中不施加一定的压力，钎料在两个管道的间隙内将无序地流动，且容易形成气孔、未焊透、钎料流失等缺陷。
另外，对于超长的双套管，为了管子的机械稳定性，往往需要在其轴向上再施焊几道焊点，常规的焊接施压方法无法对管子中间部位进行焊接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种双套管的内施压钎焊方法以及用于钎焊的双套管焊接组件，该方法在焊接过程中通过从内部对双套管进行施压，使得双套管之间能够产生适当的压应力，从而可使焊接接头结构完整，能够有效提升焊接接头的质量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种双套管的内施压钎焊方法，包括如下步骤：
将双套管组装成双套管焊接组件，其中：所述双套管焊接组件包括双套管、钎料和内施压组件，所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，所述内施压组件在施焊过程中能够从内套管的内部对所述双套管施压；
将所述双套管焊接组件放置在恒温区；
对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度。
可选的，所述内施压组件包括缓冲块和内施压块，所述内施压块设于所述内套管的内部，所述缓冲块夹设在所述内施压块和所述内套管之间。
优选所述内施压块的线性热膨胀系数大于所述外套管的线性热膨胀系数。
可选的，在对所述双套管焊接组件进行加热之前，还包括：在所述恒温区内充入保护气体。
优选所述保护气体为惰性气体或氮气。
可选的，所述对所述双套管焊接组件进行加热之后，还包括：使恒温区自然冷却，且在此过程中继续充入保护气体。
优选的，所述恒温区为加热设备的恒温区，所述恒温区的温度为490℃～510℃，
在将所述双套管焊接组件放置在恒温区之前，还包括：确定出加热设备的恒温区，所述恒温区的温度波动范围为-10℃～+10℃。
可选的，所述确定出加热设备的恒温区，包括：对加热设备内的不同加热区域进行测温，以得到恒温区。
优选的，对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度，具体为：对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎料的工作温度，再对所述双套管焊接组件保温5分钟。
本发明还提供一种双套管焊接组件，包括双套管、内套管、钎料和内施压组件，
所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，
所述内施压组件，在施焊过程中用于从内套管的内部对所述双套管施压。
优选的，所述内施压组件包括缓冲块和内施压块，
所述内施压块设于所述内套管的内部，所述缓冲块夹设在所述内施压块和所述内套管之间，
所述内施压块的线性热膨胀系数大于所述外套管的线性热膨胀系数。
本发明的双套管的内施压钎焊方法，通过不同金属在高温时热膨胀系数的不同，达到对双套管内部施压的目的，使得金属双套管之间产生适当的压应力，从而使得焊接接头结构完整，相对于不施加压力的钎焊，可有效地提升焊接接头的质量。并且，使用该钎焊方法可以在超长小口径双套管的内部沿轴向的任意位置进行焊接操作，解决了超长小口径双套管不同的多道焊接问题。
附图说明
图1为本发明实施例中双套管焊接组件的结构示意图；
图2为本发明实施例中双套管焊接组件的有限元力学分析图。
图中：1-外套管；2-钎料；3-内套管；4-缓冲块；5-内施压块。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种双套管的内施压钎焊方法，包括如下步骤：
将双套管组装成双套管焊接组件，其中：所述双套管焊接组件包括双套管、钎料和内施压组件，所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，所述内施压组件在施焊过程中能够从内套管的内部对所述双套管施压；
将所述双套管焊接组件放置在恒温区；
在所述恒温区内充入保护气体；
对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度。
本发明还提供一种用于钎焊的双套管焊接组件，包括双套管、内套管、钎料和内施压组件，
所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，
所述内施压组件，在施焊过程中用于从内套管的内部对所述双套管施压。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种双套管的内施压钎焊方法，包括以下步骤：
S1，将双套管组装成双套管焊接组件。
如图1所述，双套管焊接组件包括双套管、钎料2和内施压组件。
双套管包括外套管1和内套管3。外套管1套装在内套管3外部，钎料2设置在外套管1和内套管3之间。内施压组件在进行焊接操作时用于从内套管3的内部对双套管施压。
本实施例中，内套管的直径小于100mm。
本实施例中，内施压组件包括缓冲块4和内施压块5。内施压块5设于内套管3的内部，缓冲块4夹设在内施压块5和内套管3之间。
其中，缓冲块4通常可采用塑性良好的金属材料制成，以利于应力状态下产生变形，使得内应力均匀施加在内套管3上；并且，缓冲块4在材质选择上应避免在加热时与内套管发生冶金反应。本实施例中，缓冲块4的厚度与内套管3的厚度的比例约为1：3。
内施压块5采用金属材料制成，且其线性热膨胀系数大于外套管1的线性热膨胀系数。
双套管可以为同种金属或异种金属制成。本实施例中，双套管为异种金属，比如外套管1采用铜管，内套管3采用铝管。
进行组装时，先在外套管1和内套管3之间布置钎料2，然后放置内施压块5，最后再安装缓冲块4。
S2，将双套管焊接组件放置在恒温区。
本实施例中，恒温区为加热设备的恒温区，恒温区的温度为490℃～510℃。
在将双套管焊接组件放置在恒温区之前，还包括：对加热设备内的不同加热区域进行测温，以确定出加热设备的恒温区。恒温区的温度波动范围为-10℃～+10℃。
具体来说，是对加热设备的炉膛内的12个不同位置分别放置温度检测机构来进行测温，以确定出哪个位置为恒温区。其中，温度检测机构采用热电偶。
在确定出恒温区之后，再将双套管焊接组件放置在恒温区的中央位置。
将双套管焊接组件放置在恒温区，其作用在于确保双套管焊接组件整体加热的温度均匀，且在恒温区的要求范围内。
本实施例中，通过步骤S2可确定出整个加热设备的炉膛内的温度分布曲线，确定相对恒温的恒温区的区域大小和范围，为双套管焊接组件的整体焊接创造条件和提供参考依据。
S3，在恒温区内充入保护气体。
保护气体可采用惰性气体或氮气。本实施例中，是在炉膛内充入惰性气体或氮气，以进行保护。本实施例中，具体是在炉膛内充入氩气保护，其中氩气的纯度为99.9mas％。
充入保护气体的作用在于避免双套管焊接组件在较长时间的加热过程中发生氧化，同时也可以提升产品的外观品质。
S4，对双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度。
对双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎料的工作温度(钎料的工作温度一般是+480℃～+520℃)，再对恒温区保温5分钟。本实施例中，温升速率为200℃/小时。
物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力以等压下单位温度变化所导致的长度量值的变化即热膨胀系数来表示。不同金属材料的热膨胀系数是不同的，线性膨胀系数的公式为：
α＝△L╱L0·△T
其中：△T为温度变化量，单位为℃；△L为温度变化△T时长度的变化量，单位为mm；L0为原始长度，单位为mm。
通过加热设备对双套管焊接组件进行加热，具体为：
当温度△T升高时，外套管1、内套管3、钎料2、缓冲块4和内施压块5同时发生热膨胀，由于具有不同的热膨胀系数α，在温度T0+△T时，由于内施压块5的直径增长得最快，其直接结果是会给与之依次相连的其它部件施压，导致内套管3会出现一定程度的变形，最终应力会传输到外套管1上，当温度进一步升高到钎焊的工作温度时，钎料2熔化，并分别与内套管3和外套管1形成冶金熔合。
可见，采用双套管焊接组件进行钎焊，通过在加热条件下不同部件的热膨胀系数的热膨胀量的不同，导致在施焊过程中内套管3能够向外套管1施加压力，从而可完成焊接操作。
其中，步骤S4为本发明的焊接工艺的核心，另外内施压块5的选择也非常重要。一是材料的选择：内施压块5要选择热膨胀系数要大于外套管1，在焊接过程中保持稳定，不发生冶金反应，在冷却后易拆卸的材料；二是内施压块5的外径尺寸的选择：内施压块5的外径是通过在焊接温度下热膨胀量的计算、力学计算和通过实际试验验证来共同确定的，上面这两个方面共同决定了双套管焊接的质量。
首先选择热膨胀系数要高于外套管的热膨胀系数的材料作为内施压块5，当材料选材确定后，可采用上面的线性膨胀系数的公式进行初步计算，以得到内施压块的外径尺寸。具体来说，通过线性热膨胀系数的公式，可以计算出在焊接温度条件下外套管、内套管和缓冲块的膨胀量，通过部件间径向尺寸的关系，可初步确定出内施压块5的外径尺寸的范围。
其次，可通过力学计算，采用商用有限元程序(如：ansys、abaqus和dyna等)进行计算，计算在加热过程中对内套管的应力是否超出材料可承受的范围，如图2所示。
最后，经过实际的焊接工艺参数筛选试验，来固化最终的焊接工艺。
本实施例中的方法，在应用时可以根据双套管的材料和尺寸的不同来调整内施压块5的材质和外径尺寸，以及焊接温度和保温时间。
S5，使恒温区自然冷却，且在此过程中继续充入保护气体。
对炉膛进行冷却，具体为：停止加热设备对双套管焊接组件的加热，使炉膛自然冷却，在冷却过程中继续充入惰性气体或氮气，直至炉膛的温度降至室温，再取出双套管焊接组件。
具体的，本实施例中继续充入的保护气体为氩气，氩气的纯度为99.9mas％。
通过步骤S5，一方面，可确保双套管焊接组件在冷却过程中不被氧化；另一方面，相对于空冷来说，其冷却速率更低，以确保钎料能迅速固化，减少冷却过程中应力对焊缝的影响。
本实施例中的双套管焊接组件的内施压钎焊方法，通过不同金属在较高温度时热膨胀系数的不同，达到对双套管内部施压的目的，使得异种金属的双套管之间产生适当的压应力，从而使得异种金属焊接接头结构完整，相对于不施加压力的钎焊，可有效地提升焊接接头的质量。
实施例2：
实施例1中的用于钎焊的用于钎焊的双套管焊接组件，包括双套管、内套管、钎料和内施压组件。
其中，双套管包括外套管和内套管，外套管套装在内套管外部，钎料设置在外套管和内套管之间，
内施压组件在施焊过程中用于从内套管的内部对双套管施压。
其中，内施压组件包括缓冲块和内施压块。内施压块设于内套管的内部，缓冲块夹设在内施压块和内套管之间，内施压块的线性热膨胀系数大于外套管的线性热膨胀系数。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双套管的内施压钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
将双套管组装成双套管焊接组件，其中：所述双套管焊接组件包括双套管、钎料和内施压组件，所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，所述内施压组件在施焊过程中能够从内套管的内部对所述双套管施压；
将所述双套管焊接组件放置在恒温区；
对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内施压组件包括缓冲块和内施压块，
所述内施压块设于所述内套管的内部，所述缓冲块夹设在所述内施压块和所述内套管之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内施压块的线性热膨胀系数大于所述外套管的线性热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述双套管焊接组件进行加热之前，还包括：在所述恒温区内充入保护气体。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述保护气体为惰性气体或氮气。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述双套管焊接组件进行加热之后，还包括：
使恒温区自然冷却，且在此过程中继续充入保护气体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述恒温区为加热设备的恒温区，所述恒温区的温度为490℃～510℃，
在将所述双套管焊接组件放置在恒温区之前，还包括：确定出加热设备的恒温区，所述恒温区的温度波动范围为-10℃～+10℃。
所述确定出加热设备的恒温区，包括：对加热设备内的不同加热区域进行测温，以得到恒温区。
8.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎焊的工作温度，具体为：
对所述双套管焊接组件进行加热，直至温度升至钎料的工作温度，再对所述双套管焊接组件保温5分钟。
9.一种用于钎焊的双套管焊接组件，其特征在于，包括双套管、内套管、钎料和内施压组件，
所述双套管包括外套管和内套管，所述外套管套装在所述内套管外部，所述钎料设置在所述外套管和所述内套管之间，
所述内施压组件，在施焊过程中用于从内套管的内部对所述双套管施压。
10.根据权利要求9所述的用于钎焊的双套管焊接组件，其特征在于，所述内施压组件包括缓冲块和内施压块，
所述内施压块设于所述内套管的内部，所述缓冲块夹设在所述内施压块和所述内套管之间，
所述内施压块的线性热膨胀系数大于所述外套管的线性热膨胀系数。
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