CN114952051B - 一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，在热管与隔板之间设置套管，在隔板上设置安装孔，钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺包括以下步骤：S1、制备套管；S2、通过脉冲TIG焊接工艺在套管与热管的管壳之间的第一焊缝上进行焊接；S3、制备热管；S4、通过真空电子束焊接工艺在套管与隔板之间的第二焊缝上进行焊接。本发明所述的钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，既能显著降低热管排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能，又能够保证热管与隔板的连接具有足够的强度和密性，为承受较大内外压差的高性能钛制热管式换热器的研制奠定关键工艺技术基础。

Description

一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺
技术领域
本发明涉及换热器制造领域，具体而言，涉及一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺。
背景技术
热管是一种高效的传热元件，利用全封闭真空管内部工质的连续相变来完成热量的持续转移，具有很高的导热性和良好的等温性。利用热管作为换热元件的热管式换热器，其换热效率可以达到98％，体积只是普通换热器的1/3，应用前景广阔。钛合金具有比强度高、无磁、焊接性好、耐海水腐蚀等特点，是一种非常适合海洋环境使用的材料。采用钛合金材料制造热管式换热器，可以同时发挥热管的高效换热及钛制换热器的小型化、轻量化和耐腐蚀，在舰艇高战技化发展趋势下具有突出研究价值和应用前景。
对于常规的管壳式换热器，换热管伸出隔板外表面距离小，有很成熟的焊接工艺对隔板与换热管进行管孔封焊。对于热管式换热器，由于热管蒸发端和冷凝端要伸出隔板外一定长度，若采用传统工艺方法则需要相邻热管之间具有足够的施焊空间，这势必会降低热管的分布密度。此外，即便有足够的施焊空间，由于热管良好的散热性，采用常规焊接工艺直接焊接热管与隔板，焊接时也容易出现各种问题，如未熔合、烧穿、氧化、裂纹等，容易造成报废。若采用可拆式结构，这种结构在热管式换热器领域应用广泛，但是这种结构形式不能承受过大压差，一般作为气态流体换热且容易出现密封件在高温、腐蚀等恶劣环境下长期服役后失效而导致渗漏，可靠性与焊接结构相比较低。对于承受较大内外压差(10MPa以上)的深海环境下服役的钛制热管式换热器，热管与隔板的可靠连接是研制此类特种换热器的核心难点，国内尚未见相关公开报道。
对于承受较大内外压差的钛制热管式换热器，可拆式密封结构不适用于热管与隔板连接，而常规焊接工艺焊接其热管与隔板时，由于对施焊空间有要求，热管排布间距大，排管密度低，势必降低换热性能，且施焊时容易出现各种问题造成热管失效。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提出一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，以解决现有技术中对于承受较大内外压差的钛制热管式换热器，可拆式密封结构不适用于热管与隔板连接，而常规焊接工艺焊接其热管与隔板时，由于对施焊空间有要求，热管排布间距大，排管密度低，势必降低换热性能，且施焊时容易出现各种问题造成热管失效的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺用于将热管连接在隔板上，在所述热管与所述隔板之间设置套管，在所述隔板上设置安装孔，所述安装孔用于安装套管，所述安装孔的直径为d3，相邻安装孔中心距d4满足：d4≥d3+a4，所述a4满足：4mm＜a4＜6mm，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺包括以下步骤：
S1、制备套管；
S2、通过脉冲TIG焊接工艺在所述套管与热管的管壳之间的第一焊缝上进行焊接；
S3、制备热管；
S4、通过真空电子束焊接工艺在所述套管与隔板之间的第二焊缝上进行焊接。
本发明所述的钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，既能显著降低热管排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能，又能够保证热管与隔板的连接具有足够的强度和密性。
进一步的，所述热管的外径为D，所述热管的壁厚S，所述隔板的高度为H，在步骤S1中，所述套管的高度H与所述隔板的高度H相同，所述套管的内径d大于与所述热管的外径D，所述套管的内径d大于与所述热管的外径D的差值a1满足：0.2mm＜a1＜0.4mm。
进一步的，在步骤S1中，所述套管的壁厚T大于所述第一焊缝的焊脚高K，所述套管的壁厚T与所述第一焊缝的焊脚高K的差值a2满足：2mm＜a2＜3mm。
进一步的，在步骤S2中，所述第一焊缝的焊脚高K与所述热管的壁厚S的比值a3满足：1＜a3＜1.5。
进一步的，在步骤S2中，当所述热管的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用脉冲TIG焊接工艺进行焊接的基值电流为5A～25A，峰值电流为60A～120A，脉宽比为1～2，脉冲频率为5Hz～10Hz，电弧电压为7V～14V，焊接速度为6cm/min～14cm/min。
进一步的，在步骤S4中，当所述热管的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用真空电子束焊接工艺进行焊接的加速电压为150KV，电子束流为2mA～20mA，焊接速度为900mm/min～1300mm/min，工作距离为700mm～750mm，表面聚焦电流为2400mA～2500mA，焊接聚焦电流为2400mA～2500mA。
进一步的，在步骤S4中，真空电子束焊接工艺的熔深b与所述热管的壁厚S的关系满足：b≥2S。
该设置使得热管与隔板的连接非常可靠，具有足够的强度和密性。
进一步的，在步骤S4中，所述第二焊缝为环形对接焊缝，在所述第二焊缝上分三道次焊接，第一道次进行定位焊，第二道次进行固定焊，第三道次进行修饰焊。
该设置一方面可以保证焊缝质量，另一方面使焊缝的成型均匀且美观。
进一步的，在步骤S4中，对于所述固定焊和修饰焊，从起弧开始至焊接1/4圆周，电子束流由0逐渐增加至焊接要求的电子束流，然后使用焊接要求的电子束流继续焊接一圈，最后电子束流再在1/4圆周内逐渐衰减至0。
该设置一方面可以保证焊缝质量，另一方面使焊缝的成型均匀且美观。
进一步的，在步骤S4中，所述套管装入所述隔板上的安装孔内后，所述套管的外侧面与安装孔的装配间隙d1满足：d1≤0.1mm。
本发明的提出一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，相对于现有技术而言，本发明所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺具有以下有益效果：
1)本发明所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，使得热管与隔板的连接非常可靠，具有足够的强度和密性，能够在深海环境下承受10MPa以上的内外压差。
2)本发明所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，显著降低热管排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能。
3)本发明所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，可操作性可重复性强，为高性能钛制热管式换热器的研制奠定关键工艺技术基础。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺的热管与隔板连接结构的剖视图。
附图标记说明：
1、热管；2、套管；3、隔板；4、第一焊缝；5、第二焊缝。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的实施例中所提到的“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例提出一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，如图1所示，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺用于将热管1连接在隔板3上，在所述热管1与所述隔板3之间设置套管2，在所述隔板3上设置安装孔，所述安装孔用于安装套管2，所述安装孔的直径为d3，相邻安装孔中心距d4满足：d4≥d3+a4，所述a4满足：4mm＜a4＜6mm，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺包括以下步骤：
S1、制备套管2；
S2、通过脉冲TIG焊接工艺在所述套管2与热管1的管壳之间的第一焊缝4上进行焊接；
S3、制备热管1；
S4、通过真空电子束焊接工艺在所述套管2与隔板3之间的第二焊缝5上进行焊接。
本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，在不考虑结构强度情况下，相邻安装孔中心距d4最小可为一倍安装孔的直径+(4～6)mm，能够显著降低热管排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能；真空电子束焊接工艺不受空间限制，可在热管1的间距较小时实现焊接要求，使得热管与隔板的连接非常可靠，具有足够的强度和密性，能够在深海环境下承受10MPa以上的内外压差。
具体的，所述热管1的外径为D，所述热管1的壁厚S，所述隔板3的高度为H，在步骤S1中，所述套管2的高度H与所述隔板3的高度H相同，所述套管2的内径d大于与所述热管1的外径D，所述套管2的内径d大于与所述热管1的外径D的差值a1满足：0.2mm＜a1＜0.4mm。
具体的，在步骤S1中，所述套管2的壁厚T大于所述第一焊缝4的焊脚高K，所述套管2的壁厚T与所述第一焊缝4的焊脚高K的差值a2满足：2mm＜a2＜3mm。
该设置可以满足装配要求和焊接工艺要求。
具体的，在步骤S1中，所述套管2的材质不做限定。所述套管2的材质可与所述隔板3相同，所述套管2的材质也可与所述隔板3不相同。
优选的，在本实施例中，所述套管2的材质与所述隔板3相同。
具体的，在步骤S2中，所述第一焊缝4为角焊缝，所述第一焊缝4的焊脚高K与所述热管1的壁厚S的比值a3满足：1＜a3＜1.5。
具体的，a1＝d-D；a2＝T-K；a3＝K/S。
具体的，在步骤S2中，在所述第一焊缝4中填充焊丝材质由具体的待焊热管1管壳材质和套管2材质决定。
脉冲TIG焊接工艺参数见表1。焊枪和管壳内部保护气均采用99.99％纯度的氩气Ar，气流量10～20L/min。
具体的，如表1所示，在步骤S2中，当所述热管1的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用脉冲TIG焊接工艺进行焊接的基值电流为5A～25A，峰值电流为60A～120A，脉宽比为1～2，脉冲频率为5Hz～10Hz，电弧电压为7V～14V，焊接速度为6cm/min～14cm/min。
具体的，如表1所示，在步骤S2中，当所述热管1的壁厚S满足：0.8mm≤S≤1.5mm时，使用脉冲TIG焊接工艺进行焊接的基值电流为5A～25A，峰值电流为60A～90A，脉宽比为1～2，脉冲频率为5Hz～10Hz，电弧电压为7V～12V，焊接速度为6cm/min～12cm/min。
具体的，如表1所示，在步骤S2中，当所述热管1的壁厚S满足：1.5mm＜S≤3mm时，使用脉冲TIG焊接工艺进行焊接的基值电流为5A～25A，峰值电流为80A～120A，脉宽比为1～2，脉冲频率为5Hz～10Hz，电弧电压为8V～14V，焊接速度为8cm/min～14cm/min。
表1脉冲TIG焊接工艺参数
具体的，在步骤S3中，按热管1本身的制备工艺完成单个热管1的制备及检测。
在步骤S3中，制备热管1包括在热管1内填充换热介质和对热管1进行密封。制备热管1的步骤为现有技术，在此不一一赘述。
具体的，如表2所示，在步骤S4中，当所述热管的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用真空电子束焊接工艺进行焊接的加速电压为150KV，电子束流为2mA～20mA，焊接速度为900mm/min～1300mm/min，工作距离为700mm～750mm，表面聚焦电流为2400mA～2500mA，焊接聚焦电流为2400mA～2500mA。
具体的，如表2所示，在步骤S4中，当所述热管1的壁厚S满足：0.8mm≤S≤1.5mm时，使用真空电子束焊接工艺进行焊接的加速电压为150KV，电子束流为2mA～15mA，焊接速度为900mm/min～1300mm/min，工作距离为700mm～750mm，表面聚焦电流为2400mA～2500mA，焊接聚焦电流为2400mA～2500mA。
具体的，如表2所示，在步骤S4中，当所述热管1的壁厚S满足：1.5mm＜S≤3mm时，使用真空电子束焊接工艺进行焊接的加速电压为150KV，电子束流为3mA～20mA，焊接速度为900mm/min～1300mm/min，工作距离为700mm～750mm，表面聚焦电流为2400mA～2500mA，焊接聚焦电流为2400mA～2500mA。
表2真空电子束焊接工艺参数
具体的，在步骤S4中，所述套管2装入所述隔板3上的安装孔内后，所述套管2的外侧面与安装孔的装配间隙d1满足：d1≤0.1mm。
该设置可以满足装配要求和焊接工艺要求。
具体的，所述隔板3上的安装孔的直径d3＝所述套管2的内径d+所述套管2的壁厚T+d1。
具体的，在步骤S4中，通过真空电子束焊接工艺在所述套管2与隔板3之间的第二焊缝5上进行焊接时采用跳焊的方式。更具体的，在步骤S4中，通过真空电子束焊接工艺在所述套管2与隔板3之间的第二焊缝5上进行焊接时采用隔孔跳焊的方式。
该设置可以降低焊接变形，从而使得热管1与隔板3的连接非常可靠，具有足够的强度和密性。
具体的，在步骤S4中，真空电子束焊接工艺的熔深b与所述热管1的壁厚S的关系满足：b≥2S。
该设置使得热管1与隔板3的连接非常可靠，具有足够的强度和密性。
具体的，在步骤S4中，首先对套管2的装配区进行机械清理和化学清理，去除钛合金表面氧化膜和油污。清理区域为待焊区及其周围25mm范围。然后通过TIG焊进行点焊将套管2预固定在隔板3上的安装孔内；最后通过真空电子束焊接工艺在所述套管2与隔板3之间的第二焊缝5上进行焊接。
在步骤S4中，所述套管2的上、下表面与所述隔板3的上、下表面的错边距离d2满足：d2≤0.1mm。
具体的，在不考虑结构强度情况下，相邻安装孔中心距d4满足：d4≥d3+a4，所述a4满足：4mm＜a4＜6mm。该设置显著降低热管1排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能。
具体的，在步骤S4中，所述第二焊缝5为环形对接焊缝，在所述第二焊缝5上分三道次焊接，第一道次进行定位焊，第二道次进行固定焊，第三道次进行修饰焊。
该设置一方面可以保证焊缝质量，另一方面使焊缝的成型均匀且美观。
具体的，在步骤S4中，对于固定焊和修饰焊，从起弧开始至焊接1/4圆周，电子束流由0逐渐增加至焊接要求的电子束流，然后使用焊接要求的电子束流继续焊接一圈，最后电子束流再在1/4圆周内逐渐衰减至0。
该设置一方面可以保证焊缝质量，另一方面使焊缝的成型均匀且美观。
本实施例针对钛制热管式换热器的热管与隔板的连接工艺，首先制备套管2，再在套管2上装上热管1的管壳(管壳制备成热管1前)，然后采用脉冲TIG焊工艺焊接热管1的管壳与套管2间角焊缝，然后再进行热管1制备，在完成单个热管1元件制备后，装配热管套管组件进隔板3安装孔内，最后采用真空电子束焊接工艺焊接套管2与隔板3间环形对接焊缝。
通过本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺将热管1连接在隔板3上，克服了直接焊接热管1时可能产生的诸多不利影响，同时热管1可以排布的很紧密，提高排管密度，进而提高换热性能；因为电子束焊接时发射电子束流的电子枪离待焊区有一定距离，通常远大于热管1伸出隔板3的长度。此外，由于电子束焊接是在真空环境下进行焊接，从根本上杜绝了钛合金焊接时易于出现氧化及产生焊接气孔的可能。在优化电子束焊接工艺规范下，焊缝成型、内部质量及接头性能可以满足相关规范及服役要求，使得热管1与隔板3的连接非常可靠，具有足够的强度和密性，能够在深海环境下承受10MPa以上的内外压差。
针对本发明的钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，进行了一个钛制热管式换热器模拟体制造，对其进行了13.5MPa水压密性和强度试验以及解剖金相观察。结果表明，制作的模拟件可以满足各项技术指标要求，该工艺为钛制热管式换热器的研制奠定了关键工艺技术基础。
本实施例的提出一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，相对于现有技术而言，本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺具有以下有益效果：
1)本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，使得热管与隔板的连接非常可靠，具有足够的强度和密性，能够在深海环境下承受10MPa以上的内外压差。
2)本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，显著降低热管排布间距，提高排管密度，进而提高换热性能。
3)本实施例所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，可操作性可重复性强，为高性能钛制热管式换热器的研制奠定关键工艺技术基础。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，其特征在于，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺用于将热管（1）连接在隔板（3）上，在所述热管（1）与所述隔板（3）之间设置套管（2），在所述隔板（3）上设置安装孔，所述安装孔用于安装套管（2），所述安装孔的直径为d3，相邻安装孔中心距d4满足：d4≥d3+a4，所述a4满足：4mm＜a4＜6mm，所述钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺包括以下步骤：
S1、制备套管（2）；
S2、通过脉冲TIG焊接工艺在所述套管（2）与热管（1）的管壳之间的第一焊缝（4）上进行焊接；
S3、制备热管（1）；
S4、通过真空电子束焊接工艺在所述套管（2）与隔板（3）之间的第二焊缝（5）上进行焊接；
在步骤S1中，所述隔板（3）的高度为H，所述套管（2）的高度H与所述隔板（3）的高度H相同，所述套管（2）的内径d大于所述热管（1）的外径D，所述套管（2）的内径d与所述热管（1）的外径D的差值a1满足：0.2mm＜a1＜0.4mm；
在步骤S1中，所述套管（2）的壁厚T大于所述第一焊缝（4）的焊脚高K，所述套管（2）的壁厚T与所述第一焊缝（4）的焊脚高K的差值a2满足：2mm＜a2＜3mm；
在步骤S2中，所述第一焊缝（4）的焊脚高K与所述热管（1）的壁厚S的比值a3满足：1＜a3＜1.5；
在步骤S4中，真空电子束焊接工艺的熔深b与所述热管（1）的壁厚S的关系满足：b≥2S；
在步骤S4中，当所述热管（1）的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用真空电子束焊接工艺进行焊接的加速电压为150KV，电子束流为2mA~20mA，焊接速度为900mm/min~1300mm/min，工作距离为700mm~750mm，表面聚焦电流为2400mA~2500mA，焊接聚焦电流为2400mA~2500mA。
2.根据权利要求1所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，其特征在于，在步骤S2中，当所述热管（1）的壁厚S满足：0.8mm≤S≤3mm时，使用脉冲TIG焊接工艺进行焊接的基值电流为5A~25A，峰值电流为60A~120A，脉宽比为1~2，脉冲频率为5Hz~10Hz，电弧电压为7V~14V，焊接速度为6cm/min~14cm/min。
3.根据权利要求2所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，其特征在于，在步骤S4中，所述第二焊缝（5）为环形对接焊缝，在所述第二焊缝（5）上分三道次焊接，第一道次进行定位焊，第二道次进行固定焊，第三道次进行修饰焊。
4.根据权利要求3所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，其特征在于，在步骤S4中，对于所述固定焊和修饰焊，从起弧开始至焊接1/4圆周，电子束流由0逐渐增加至焊接要求的电子束流，然后使用焊接要求的电子束流继续焊接一圈，最后电子束流再在1/4圆周内逐渐衰减至0。
5.根据权利要求4所述的一种钛制热管式换热器的热管与隔板连接工艺，其特征在于，在步骤S4中，所述套管（2）装入所述隔板（3）上的安装孔内后，所述套管（2）的外侧面与安装孔的装配间隙d1满足：d1≤0.1mm。
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