CN115446441A - 一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法，所述焊接辅助件用于辅助焊接核电蒸汽发生器的换热管与管板包括：中间层和过渡层，中间层和过渡层设置在管板的焊接孔内，中间层位于过渡层和焊接孔的孔壁之间；过渡层套设在换热管上，本发明能够采用扩散焊焊接工艺焊接所述换热管与管板。

Description

一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法
技术领域
本发明涉及核电设备制造技术领域，特别涉及一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法。
背景技术
核电蒸汽发生器的换热管与管板焊接是整个蒸汽发生器制造过程中首先要进行的部分，也是要求最高、难度最大的关键工序之一。蒸汽发生器的管板与换热管的材料比较特殊，焊接性比较差，而且要求较高的焊接质量。因此该部件焊接不仅难度大，而且对焊接质量提出了较高的要求。目前核电蒸汽发生器的换热管与管板焊接工艺中常常使用自动/机械氩弧焊这种熔化焊焊接方法进行焊接，但是涉及到的换热管与管板为哈氏合金和铀钼合金两种不同材料时，传统的熔化焊难以实现焊接所述换热管与管板。
发明内容
本发明的目的提供一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法，实现当换热管与管板为哈氏合金和铀钼合金两种不同材料时，采用扩散焊焊接工艺焊接所述换热管与管板。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种焊接辅助件，用于辅助焊接核电蒸汽发生器的换热管与管板，包括：中间层和过渡层，所述中间层和所述过渡层设置在所述管板的焊接孔内，所述中间层位于所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间；所述过渡层套设在所述换热管上。
可选地，所述换热管采用哈氏合金制备，所述管板采用铀钼合金制备，所述中间层和所述过渡层采用铜合金制备。
可选地，所述中间层和所述过渡层的横截面为圆环形。
可选地，所述管板的焊接孔的孔壁上加工有第一双V型坡口，所述第一双V型坡口的坡面角度范围为60°～80°。
可选地，所述过渡层与所述中间层接触的外侧壁上加工有第二双V型坡口，使所述过渡层的径向厚度从中间向两端逐渐减小，所述过渡层的端口处的径向厚度为2mm，所述第二双V型坡口的坡面角度范围为60°～80°；所述过渡层设有第一安装孔，所述换热管贯穿所述第一安装孔设置。
可选地，所述中间层包括第一子中间层和第二子中间层，所述第一子中间层和所述第二子中间层结构相同；所述第一子中间层整体呈圆台形，且中间设有第二安装孔；所述第一子中间层的第一端端面直径小于第二端端面直径；所述第二安装孔的孔径沿所述第一子中间层的轴向逐渐增大；所述第二安装孔在所述第一端端面上的孔径大于所述第二安装孔在所述第二端端面上的孔径；所述第一子中间层位于所述第二子中间层上，且所述第一子中间层的第一端端面和所述第二子中间层的第一端端面接触。
可选地，所述过渡层的轴向长度与所述中间层的轴向长度相同，且其外侧壁与所述中间层的孔壁相匹配，其内侧壁与所述换热管的外侧壁相匹配。
另一方面，本发明还提供一种换热管与管板的焊接方法，包括：对所述换热管，所述管板和如上文所述的焊接辅助件进行装配；装配步骤包括：将所述过渡层套设在所述换热管上后，设置在所述管板的焊接孔内；将所述中间层放置在所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间，与所述过渡层和所述焊接孔过盈配合；将装配好的所述焊接辅助件、所述换热管和所述管板送入至扩散焊设备中；在真空环境下，对所述中间层进行加热加压，以使所述过渡层和所述换热管之间的接触面，所述过渡层和所述中间层之间的接触面，及所述中间层和所述焊接孔之间的接触面中形成固态冶金结合，以将所述换热管和所述管板焊接固定。
可选地，真空度小于或等于6×10-2Pa；焊接温度保持在700℃～900℃，保温时间为20min～30min，所述中间层的压力为10～25MPa。
可选地，所述中间层包括第一子中间层和第二子中间层时，将所述第一子中间层和所述第二子中间层设置在所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间；所述第一子中间层位于所述第二子中间层上，且所述第一子中间层的第一端端面和所述第二子中间层的第一端端面接触；所述压力分别施加在所述第一子中间层的第二端端面和所述第二子中间层的第二端端面上，所述压力方向相对。
本发明至少具有以下优点之一：
本发明针对换热管与管板焊接，开发了对应的扩散焊焊接工艺，通过在换热管的外表面制备过渡层，使用中间层设置在管板的安装孔和所述过渡层之间，在真空加压环境下，利用所述中间层进行扩散焊接，使得待焊表面的原子互相扩散进而实现表面的冶金结合，进而实现对换热管与管板的焊接。
对于扩散焊工艺，在进行扩散焊时母材不熔化，可以焊接几乎所有的金属或非金属，不降低被焊材料性能，焊件精度高、变形小，扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在熔焊缺陷，也不存在过热组织和热影响区。对于哈氏合金材料的换热管与铀钼合金材料的管板，传统的熔化焊难以实现。本发明可以采用铜合金过渡层和铜合金中间层作为焊接辅助件，实现通过扩散焊工艺对哈氏合金材料的换热管与铀钼合金材料的管板焊接的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种换热管、管板和焊接辅助件装配好之后的立体剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的管板的剖面结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的焊接辅助件中的过渡层的剖面结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的焊接辅助件中的中间层的立体结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的焊接辅助件中的中间层的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种换热管与管板的焊接辅助件及焊接方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1所示，本实施例提供一种焊接辅助件，用于辅助焊接核电蒸汽发生器的换热管200与管板100，包括：中间层300和过渡层400，所述中间层300和所述过渡层400设置在所述管板100的焊接孔(如图3所示的焊接孔101)内，所述中间层300位于所述过渡层400和所述焊接孔101的孔壁之间；所述过渡层400套设在所述换热管200上。
可以理解的是，所述换热管200与管板100的制备材料可以相同或不同，只需要根据需要选择对应可以与换热管200和管板100进行焊接或者是扩散焊的材料即可，本发明不以此为限。
在本实施例中，所述换热管200采用哈氏合金制备，所述管板100采用铀钼合金制备，则所述中间层300和所述过渡层400采用铜合金制备。
在本实施例中，所述中间层300和所述过渡层400的横截面为圆环形。结合图1和图2所示，在本实施例中，所述管板100的焊接孔101的孔壁上加工有第一双V型坡口，所述第一双V型坡口的坡面角度α1范围为60°～80°。
所述第一双V型坡口为采用机加工出的，且所述第一双V型坡口的坡面表面粗糙度Ra≤1.6，所述管板100的焊接孔101在所述管板100的上下两个表面上的孔径Φ相同，在本实施例中可以为孔径(孔的直径)Φ＝60mm，所述管板100的厚度为A(50mm～60mm)，但本发明不以此为限。
结合图1和图3所示，图3给出了对所述过渡层400纵向剖切的剖面示意图；所述过渡层400与所述中间层300接触的外侧壁上加工有第二双V型坡口，即所述过渡层400的径向厚度从中间向两端逐渐减小，所述过渡层400的端口处的径向厚度为2mm，所述第二双V型坡口的坡面角度α范围为60°～80°；所述过渡层400的轴向长度为50mm～60mm。所述过渡层400的径向厚度的最厚位置受到坡面角度α和所述过渡层400的轴向长度的双重影响，故以最薄处的厚度(2mm)作为加工所述过渡层400的基准。所述第二双V型坡口的坡面表面粗糙度Ra≤0.8。
所述第二双V型坡口的坡面角度α过大，则过渡层400的厚度会相应减少，厚度过小难以发挥其对加热管200的保护作用，且装配时难度增大；所述第二双V型坡口的坡面角度α过小，过渡层400的厚度相应增大，增加了表面镀层的成本。
所述过渡层400设有第一安装孔，所述换热管200贯穿所述第一安装孔设置。或者是，可以在外径为Φ20mm的换热管200的外表面上采用表面镀层工艺制备所述过渡层400。
过渡层400使用图3所示中间锥度较大的形状，原因：扩散焊时要实现紧密接触，故正常装配时铜合金中间层300尺寸略大，已达到过盈配合的目的。由于原管子(换热管200)的壁厚较小，如与圆环形状的铜合金中间层300直接接触，在装配压力与焊接压力作用下容易导致管子(换热管200)变形且装配难度大，故制备一定尺寸的铜合金过渡层400增加局部区域厚度，并通过锥形的形状，以便于装配。
结合图1，图4和图5所示，在本实施例中，所述中间层300包括第一子中间层301和第二子中间层302，所述第一子中间层301和所述第二子中间层结构302相同；所述第一子中间层301整体呈圆台形，且中间设有第二安装孔303；所述第一子中间层301的第一端端面直径小于第二端端面直径；所述第二安装孔303的孔径沿所述第一子中间层301的轴向逐渐增大；所述第二安装孔303在所述第一端端面上的孔径大于所述第二安装孔303在所述第二端端面上的孔径；所述第一子中间层301位于所述第二子中间层302上，且所述第一子中间层301的第一端端面和所述第二子中间层302的第一端端面接触。
具体的，在本实施例中，所述第一子中间层301的第二端端面的外径为60mm,内径为24mm，且60mm和24mm的值可以是固定的，作为加工基准，随着下方坡口角度的范围变化，坡口角度等于α-(1～5°)，其中，α范围为60°～80°。所述第一子中间层301的第一端的径向厚度值，基于坡口角度和所述第一子中间层301的轴向长度。所述第一子中间层301的高度范围为0.5*A，A的取值范围为50～60mm，即在本实施例中，所述第一子中间层301的轴向长度为25～30mm。
在本实施例中所述第一子中间层301和所述第二子中间层302为机加工的两块铜合金楔型块。所述中间层300能有此形状是为了与现有技术中的过渡层400与管板300的坡口进行匹配，便于装配和焊接。
即，在本实施例中，所述过渡层400的轴向长度与所述中间层300的轴向长度相同，且其外侧壁与所述中间层的孔壁相匹配，其内侧壁与所述换热管200的外侧壁相匹配。
另一方面，本实施例还提供一种换热管与管板的焊接方法，包括：对所述换热管，所述管板和如上文所述的焊接辅助件进行装配；装配步骤包括：将所述过渡层套设在所述换热管上后，设置在所述管板的焊接孔内；将所述中间层放置在所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间，与所述过渡层和所述焊接孔过盈配合；将装配好的所述焊接辅助件、所述换热管和所述管板送入至扩散焊设备中；在真空环境下，对所述中间层进行加热加压，使得待焊表面原子互相扩散进而实现表面的冶金结合。具体的是使所述过渡层和所述换热管之间的接触面，所述过渡层和所述中间层之间的接触面，及所述中间层和所述焊接孔之间的接触面中形成固态冶金结合，以将所述换热管和所述管板焊接固定。
在本实施例中，真空度小于或等于6×10-2Pa；焊接温度保持在700℃～900℃，保温时间为20min～30min，所述中间层的压力为10～25MPa。
在本实施例中，请继续参考图1所示，所述中间层300包括第一子中间层301和第二子中间层302时，将所述第一子中间层301和所述第二子中间层302设置在所述过渡层400和所述焊接孔的孔壁之间；所述第一子中间层301位于所述第二子中间层302上，且所述第一子中间层301的第一端端面和所述第二子中间层302的第一端端面接触；所述压力分别施加在所述第一子中间层301的第二端端面和所述第二子中间层302的第二端端面上，所述压力方向相对。
扩散焊接实现表面的原理过程如下：
固态扩散焊接过程包括三个阶段：
第一阶段为物理接触(接触变形)阶段，高温下微观不平的表面，在外加压力作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力作用下，接触面积逐渐扩大而最终达到整个面的可靠接触。
第二阶段是接触表面的激活界面推移阶段，通过院子间的相互扩散，形成牢固结合层，这个阶段一般要持续几分钟到几十分钟。
第三阶段是界面和孔洞消失，形成可靠接头阶段在接触部位形成的结合层向体积方向发展，扩大牢固连接面消除界面孔洞，形成可靠连接。
这三个阶段是相互交叉进行，连接过程中可生成固溶体及共晶体，有时形成固态冶金结合，达到可靠连接。
本实施例针对换热管与管板焊接，开发了对应的扩散焊焊接工艺，通过在换热管的外表面制备过渡层，使用中间层设置在管板的安装孔和所述过渡层之间，在真空加压环境下，利用所述中间层进行扩散焊接，使得待焊表面的原子互相扩散进而实现表面的冶金结合，进而实现对换热管与管板的焊接。
对于扩散焊工艺，在进行扩散焊时母材不熔化，可以焊接几乎所有的金属或非金属，不降低被焊材料性能，焊件精度高、变形小，扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在熔焊缺陷，也不存在过热组织和热影响区。对于哈氏合金材料的换热管与铀钼合金材料的管板，传统的熔化焊难以实现。本实施例可以采用铜合金过渡层和铜合金中间层作为焊接辅助件，实现通过扩散焊工艺对哈氏合金材料的换热管与铀钼合金材料的管板焊接的目的。解决了现有技术难以实现铀钼合金与哈氏合金换热管的扩散连接的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种焊接辅助件，用于辅助焊接核电蒸汽发生器的换热管与管板，其特征在于，包括：中间层和过渡层，所述中间层和所述过渡层设置在所述管板的焊接孔内，所述中间层位于所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间；
所述过渡层套设在所述换热管上。
2.如权利要求1所述的焊接辅助件，其特征在于，所述换热管采用哈氏合金制备，所述管板采用铀钼合金制备，所述中间层和所述过渡层采用铜合金制备。
3.如权利要求2所述的焊接辅助件，其特征在于，所述中间层和所述过渡层的横截面为圆环形。
4.如权利要求3所述的焊接辅助件，其特征在于，所述管板的焊接孔的孔壁上加工有第一双V型坡口，所述第一双V型坡口的坡面角度范围为60°～80°。
5.如权利要求4所述的焊接辅助件，其特征在于，所述过渡层与所述中间层接触的外侧壁上加工有第二双V型坡口，使所述过渡层的径向厚度从中间向两端逐渐减小，所述过渡层的端口处的径向厚度为2mm，所述第二双V型坡口的坡面角度范围为60°～80°；
所述过渡层设有第一安装孔，所述换热管贯穿所述第一安装孔设置。
6.如权利要求5所述的焊接辅助件，其特征在于，所述中间层包括第一子中间层和第二子中间层，所述第一子中间层和所述第二子中间层结构相同；所述第一子中间层整体呈圆台形，且中间设有第二安装孔；所述第一子中间层的第一端端面直径小于第二端端面直径；
所述第二安装孔的孔径沿所述第一子中间层的轴向逐渐增大；所述第二安装孔在所述第一端端面上的孔径大于所述第二安装孔在所述第二端端面上的孔径；
所述第一子中间层位于所述第二子中间层上，且所述第一子中间层的第一端端面和所述第二子中间层的第一端端面接触。
7.如权利要求6所述的焊接辅助件，其特征在于，所述过渡层的轴向长度与所述中间层的轴向长度相同，且其外侧壁与所述中间层的孔壁相匹配，其内侧壁与所述换热管的外侧壁相匹配。
8.一种换热管与管板的焊接方法，其特征在于，包括：对所述换热管，所述管板和如权利要求1～7中任意一项所述的焊接辅助件进行装配；装配步骤包括：将所述过渡层套设在所述换热管上后，设置在所述管板的焊接孔内；
将所述中间层放置在所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间，与所述过渡层和所述焊接孔过盈配合；
将装配好的所述焊接辅助件、所述换热管和所述管板送入至扩散焊设备中；
在真空环境下，对所述中间层进行加热加压，以使所述过渡层和所述换热管之间的接触面，所述过渡层和所述中间层之间的接触面，及所述中间层和所述焊接孔之间的接触面中形成固态冶金结合，以将所述换热管和所述管板焊接固定。
9.如权利要求8所述的换热管与管板的焊接方法，其特征在于，真空度小于或等于6×10-2Pa；焊接温度保持在700℃～900℃，保温时间为20min～30min，所述中间层的压力为10～25MPa。
10.如权利要求9所述的换热管与管板的焊接方法，其特征在于，所述中间层包括第一子中间层和第二子中间层时，将所述第一子中间层和所述第二子中间层设置在所述过渡层和所述焊接孔的孔壁之间；所述第一子中间层位于所述第二子中间层上，且所述第一子中间层的第一端端面和所述第二子中间层的第一端端面接触；所述压力分别施加在所述第一子中间层的第二端端面和所述第二子中间层的第二端端面上，所述压力方向相对。
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