CN117483952B - 换热器管板焊接方法及焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种换热器管板焊接方法及焊接装置，方法包括：控制超声波探头向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；实时监测换热管轴线中心与缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以缝隙轨迹准确行走；以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启送丝机、侧保护气管和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；当焊接完一个缝隙，进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复上述步骤。本发明能够控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走，有效保证焊接缝隙的有效性和密闭性。
Description
技术领域
本发明属于换热器管焊接技术领域，具体涉及换热器管板焊接方法及焊接装置。
背景技术
高压空冷器是石化、炼油、能源等加氢催化、裂化等装置中的关键配套换热设备，它长期在高温、高压的工况下运行。随着国内大型炼油炼化项目、吸气栋数项目的展开，国内石化企业高硫、高氮原有产量的逐步增加，以及对环境保护的重视，人们对油品质量的要求越来越严格，作为油品深加工及升级的加氢装置，其规模和数量处于极度被需求的状态，石油、炼化行业的高压空冷器主要应用在热高分、催化裂化、加氢制氢等化工工艺过程中。其中，高硫原油加氢装置高压空冷器腐蚀和泄漏硫化氢问题较为突出，已成为各炼油厂停工的主要原因之一。
制造高压空冷器首先是进行空冷器管箱的组装，组对工装和焊接顺序决定了管箱的成型质量。管箱主要由管板、丝堵板、上盖板、下盖板、中间隔板、支撑板、侧板组成，对上下盖板、中间隔板、支撑板组装后，再组装侧板，然后是管板与丝堵板的装配，最后然后将装配好的管箱的各个板之间焊接，并将管板与换热管（也称翅片管）进行焊接，常用的焊接方式有激光填丝焊、TIG填丝焊、激光-TIG复合填丝焊以及等离子-TIG电弧耦合复合焊等技术。
如现有技术中公开号为CN115740672A的中国专利申请文件公开了一种激光填丝焊设备及其使用方法，该激光填丝焊设备包括激光焊接装置、环形运动机构、竖直运动机构、送丝机构和识别装置。焊接过程中管板与每个换热管的焊接缝隙为圆形缝隙，焊接参数的选择、焊接顺序、焊接方向、焊接头的行走路线、过程加热方式及过程检验等各个环节均将会对焊接质量有较大的影响。现有技术中，授权公开号为CN104057204B的中国专利公开了一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其在方法中明确了基于激光视觉传感器实时获取当前坡口的填充面积、坡口宽度和工艺参数模型，实时调节工艺参数，实现焊接过程的自适应控制。但是并未明确如何调整工艺参数，调整工艺参数的阈值、稳态方程以及控制方程的具体技术特征和技术手段。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供换热器管板焊接方法及焊接装置。本发明通过设置与激光器同一位置的超声波探头，向待焊接的换热管与管板之间缝隙发射超声波，通过构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；并通过构建激光功率密度函数计算发射至缝隙处的每个激光光斑的功率密度是否处于最优焊接阈值范围内，保证了焊接缝隙的有效性和密闭性，并进一步通过气密性检测模块构建气密性检验参数判断值是否达到要求，进而提高了成品率。
本发明提供如下技术方案：换热器管板焊接方法，所述方法采用激光填丝焊技术对待焊接的换热管与管板之间的缝隙进行焊接，包括以下步骤：
S1：控制超声波探头向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
S2：实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；所述激光器与所述超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
S3：以换热管底部中心线与管板堆焊层的交点为起点，同时开启送丝机、侧保护气管和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；
S4：当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复所述步骤S1-S3。
进一步地，所述步骤S2，包括以下步骤：
S21：计算超声波发出处波长和换热管与管板缝隙接收到超声波处超声波波长：
， />；
其中， 为超声波发射探头半径， />为待焊接的换热管与管板之间缝隙半径；为零阶第二类汉克尔函数； />为n阶纽曼函数；j为虚数， />； />为超声波发射探头发射出的超声波的第一波数，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数；
S22：根据所述步骤S21计算得到的结果，构建超声波传播区域系数计算模型，其中，/>为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角；
S23：构建超声波传输功率差稳态计算模型C：
，
其中，W为超声波传输功率差，即为超声波发射探头发出的超声波处与待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处之间的环形区域内的超声波传输功率差； 为超声波传输功率差最小值，/>为超声波功率差最大值，
；
S24：判断所述超声波传输功率差稳态计算模型C是否小于0.15，若是，则控制激光器以实时监测得到的所处探头本体坐标系的坐标行进，其中，/>、 />和/>分别为所述步骤S1实时监测得到的超声波探头于探头本体坐标系内的横坐标、纵坐标和竖坐标；否则调整激光器在探头本体坐标系内的位置，并重复所述步骤S21-S23。
进一步地，所述步骤S21中，所述超声波发射探头发射出的超声波的第一波数 的计算公式如下： />；
所述待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数的计算公式如下：/>；
所述零阶第二类汉克尔函数 的计算公式如下：
，其中，A为所述零阶第二类汉克尔函数 />的自变量；
所述n阶纽曼函数 的计算公式如下：
，其中，B为所述n阶纽曼函数 />的自变量，/>为n的阶乘。
进一步地，所述步骤S22中构建的超声波传播区域系数计算模型 如下：
其中， 为超声波发射探头发射出的超声波处的位置矢量，/>，为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标；/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处的位置矢量， />，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标。
进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S31：计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度；
S32：根据所述步骤S31的计算结果，构建激光功率密度函数：
。
其中，激光器发射出的激光所在光轴与探头本体坐标系的x轴重合，因此发射出的激光所在的激光脉冲坐标系的横轴坐标为，纵轴坐标为 />，/>，其中，/>为发射出的激光所在激光束的腰部半径，f为激光发射频率；/>为发射出的激光光斑的半径；
S33：判断激光功率密度是否处于最优焊接阈值范围内，若是，则控制激光器发射出激光，否则重复所述步骤S31-S32；所述最优焊接阈值范围为 ＞105W/cm2。
进一步地，所述步骤S31计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度 的公式如下：
。
其中，D为高斯衍射系数，；f为激光发射频率；s为发射的激光峰值强度泰勒展开项数；j为虚数；/>为伽马函数；p为发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位，/>是关于变量/>、 />和的超几何函数；
，m为所述超几何函数的幂指数； />；/>。
进一步地，所述发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位p的计算公式如下：
。
进一步地，所述步骤S3中激光填丝焊采用的焊丝为H08CrMoHIC焊丝，焊丝的直径为2mm～2.5mm；换热管和管板的材质均采用镍铁铬合金Incoloy825材质；所述管板厚度为50mm～55mm，所述换热管的半径为10mm～12.5mm，所述管板的孔内径与所述换热管的外径之差小于0.15mm，在焊接前将所述换热管缩进所述管板内部2.5mm～3mm。
进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S41：启动抽真空装置使换热管内获得低于4mbar的真空度；
S42：启动检测气体混合装置，向已经焊接完毕的换热管内充入干空气和氦气的均匀气体混合物，按照体积分数计，氦气的含量大于30%，实时监测气体混合装置输出的所述均匀气体混合物的压力，被检测换热管内的气体压力/>，以及被检测换热管焊接完毕的缝隙处的气体压力/>；
S43：构建气密性检验参数k的计算模型：
。
其中， 为一个大气压力，/>=0.1013MPa；
S44：判断气密性检验参数判断值g是否大于0.85，若大于，则已经焊接完毕的换热管和管板之间的焊缝气密性合格，完成焊接，否则重复所述步骤S41-S43；
。
本发明还提供采用如上所述方法的换热器管板焊接装置，所述装置包括送丝机、激光器、侧保护气管和气密性检测装置，所述气密性检测装置包括抽真空装置和检测气体混合装置；所述送丝机用于为所述装置在激光填丝焊过程中同步送丝，送丝速率为1.50m/min～4.00m/min；所述侧保护气管用于在激光填丝焊过程中提供保护气，送气速率为0.25m/min～0.3m/min；所述装置的焊接速率为25mm/s～30mm/s，所述装置还包括超声波探头、焊接行走轨迹规划模块、焊接激光发射控制模块和气密性检测模块；所述激光器与所述超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
所述超声波探头用于向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
所述焊接行走轨迹规划模块，实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制所述激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；
所述焊接激光发射控制模块，以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启所述送丝机、所述侧保护气管和所述激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；
所述气密性检测模块，用于当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复所述步骤S1-S3。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的换热器管板焊接方法及焊接装置，通过在现有技术中常用的激光填丝焊所具有的的送丝机、激光器和提供保护气的侧保护器送气部件的基础上，在激光器所在位置处设置超声波探头，在激光填丝焊之前，首先将要发射出具有光轴的激光束的激光器的光轴与换热管的轴线处于大致同一水平线之上，然后控制开启超声波探头向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号，通过构建超声波传输功率差稳态计算模型，使超声波探头在发出超声波位置处所在圆与换热管与管板之间缝隙所在圆之间的超声波功率差保持稳定，进而可以保证超声波探头和激光器在激光填丝焊过程中始终处于与换热管和管板之间缝隙的距离保持一致处，进而保证了每个换热管与管板之间的缝隙焊接的轨迹保持稳定，提高了换热管和管板之间缝隙在焊接时激光器行走路线的准确性。
2、本发明提供的换热器管板焊接方法及焊接装置，在开启激光器对待焊接的换热管与管板之间缝隙时，通过首先计算得到发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位p，然后构建超几何函数 和伽马函数，辅以高斯衍射系数D进而对激光脉冲坐标系内坐标为发射出的激光光斑的激光峰值强度/>进行计算，并进一步构建该激光光斑的激光功率密度函数/>，并判断计算得到的结果是否在最优焊接阈值范围/>＞105W/cm2内，进而提高了激光焊接能够有效行程熔孔，避免仅对换热管和管板之间缝隙与激光接触的金属表层，进而避免了金属材料表面将所吸收的光能转化为热能使其金属表面温度不断升高而熔化而仅仅完成了表层的热导焊接，提高了对换热管与管板之间缝隙的焊接的有效性和密闭性，防止仅表面焊接所导致的气密性不过关的情况发生。
3、本发明提供的换热器管板焊接方法及焊接装置，通过抽真空装置对焊接后的换热管内抽真空，然后通入混合好的检测气体，通过实时监测气体混合装置输出的所述均匀气体混合物的压力，被检测换热管内的气体压力 />，以及被检测换热管焊接完毕的缝隙处的气体压力/>并构建气密性检验参数k的计算模型以及气密性检验参数判断值g的计算模型，判断与气密性检验参数k相关的气密性检验参数判断值g是否大于0.85，进而判断已经焊接完毕的换热管和管板之间的焊缝气密性合格，有效提高了焊接后能够达到气密性合格的成品率，避免人工手焊所导致的生产效率过低且气密性检测不严谨的现象发生。
4、本发明在换热器管与管板的焊接过程中，直接采用激光填丝焊，然后进行气密性检测，并未采用现有技术常用的先焊后胀或先胀后焊的技术，简化了工艺流程的同时，通过有效规划激光器发射出的激光行走路线（即准确贴合待焊接的缝隙）的同时，控制激光器对焊接的缝隙的激光功率密度在最优焊接阈值范围＞105W/cm2内，避免并未对缝隙的另一侧进行有效焊接，焊缝浅薄且不牢固的缺陷的发生的同时，无需再进行胀接，避免了先焊后胀时机械胀使管壁减薄的缺陷以及先胀后焊必须在焊接前保持较优清洁度的繁琐工艺。
5、本发明提供的换热器管板焊接方法采用的换热管和管板材质为镍铁铬合金Incoloy825材质，能够提高换热管与管板在进行换热空冷过程中的耐腐蚀性，以及焊缝的密闭性。
6、本发明提供的换热器管板焊接方法采用的焊丝为H08CrMoHIC焊丝，具有良好的耐腐蚀性、高温强度和抗氧化性能，能够满足各种复杂环境下的焊接需求，配以激光器进行熔融焊接，与镍铁铬合金Incoloy825材质换热管与管板在激光束形成的深熔小孔中更容易融合，形成具有各向同性的的混合熔池，使焊接后的焊缝具有良好的抗裂性、抗疲劳性、耐蚀性和耐磨性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的换热器管板焊接方法的流程示意图；
图2为本发明提供的方法中步骤S2构建超声波传输功率差稳态计算模型的示意图；
图3为本发明提供的方法对换热管和管板焊接部位侧视示意图；
图4为本发明提供的方法对换热管和管板焊接部位正面示意图；
图5为本发明提供的方法对换热管与管板焊接施焊部位侧视放大示意图；
图6为本发明提供的方法对换热管与管板焊接施焊部位正视放大示意图；
图7为本发明提供的换热管板焊接方法步骤S2的具体流程示意图；
图8为本发明提供的换热管板焊接方法步骤S3的具体流程示意图；
图9为本发明提供的采用步骤S3对激光发射的功率密度进行限定得到的光板（a）与未采用本发明步骤S3发射出的激光光斑（b）比较示意图；
图10为本发明提供的步骤S4的具体流程示意图；
图11为本发明提供的换热器管板焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的换热器管板焊接方法的流程示意图，方法采用激光填丝焊技术对待焊接的换热管与管板之间的缝隙进行焊接，在焊接之前，首先对换热器的管板、侧板、上盖板、下盖板、支撑板和中间隔板进行组装，管板与其他板之间进行焊接得到如图3-图4所示的结构示意图，换热器的换热管与管板之间的缝隙采用本发明提供的方法进行焊接，在焊接之前将焊接装置移动至换热管所在轴线与缝隙所在平面的中心位置处，使超声波探头和激光器处于如图3-图5所示的该中心位置，方法包括以下步骤：
S1：控制超声波探头向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
S2：实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；激光器与超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
S3：如图5-图6所示，以换热管底部中心线与管板堆焊层的交点为起点，同时开启送丝机和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；其中，管板堆焊层属于管板的一部分，是管板与上盖板、支撑板、中间隔板和下盖板之间形成的缝隙，管板与上盖板和下盖板之间的缝隙采用内角焊焊接，剩余的缝隙采用堆焊形成堆焊层，管板与支撑板和中间隔板的缝隙由于要给予支撑板和中间隔板稳定的支撑力，因此要求全焊透，堆焊层采用现有技术中的堆焊技术即可；
S4：当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复步骤S1-S3。进行气密性检验的目的是为了保证焊接完的缝隙不会出现泄漏。
在激光器所在位置处设置超声波探头，在激光填丝焊之前，首先将要发射出具有光轴的激光束的激光器的光轴与换热管的轴线处于大致同一水平线之上。
为了保证激光填丝焊过程中，激光器能够保证发出的激光束在发射点处与落在换热管与管板之间缝隙的光传递过程中，损失的光能量一致，进而保证落在落在换热管与管板之间缝隙的激光光斑能量一致，有必要对激光填丝焊在焊接过程中的行走路径进行规划，进而保证激光器在激光填丝焊过程中始终处于与换热管和管板之间缝隙的距离保持一致处，因此作为本发明的另一个优选实施例，如图7所示，步骤S2，包括以下步骤：
S21：计算超声波发出处波长和换热管与管板缝隙接收到超声波处超声波波长：
， />；
其中，如图2所示，为超声波发射探头半径，即超声波发射探头发出圆形辐射区域初始点形成的圆的半径， />为待焊接的换热管与管板之间缝隙半径，即超声波发射探头发射出的超声波被反射点形成的圆形的半径；/>为零阶第二类汉克尔函数；/>为n阶纽曼函数；j为虚数， />； />为超声波发射探头发射出的超声波的第一波数， />为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数；
S22：根据步骤S21计算得到的结果，构建超声波传播区域系数计算模型，其中，/>为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角， />为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角；
S23：构建超声波传输功率差稳态计算模型C如下：
其中，W为超声波传输功率差，即为如图2所示的超声波发射探头发出的超声波处与待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处之间的环形区域内的超声波传输功率差； 为超声波传输功率差最小值，/>为超声波功率差最大值；
。
S24：判断超声波传输功率差稳态计算模型C是否小于0.15，若是，则控制激光器以实时监测得到的所处探头本体坐标系的坐标 行进，其中， />、/>和/>分别为步骤S1实时监测得到的超声波探头于探头本体坐标系内的横坐标、纵坐标和竖坐标；否则调整激光器在探头本体坐标系内的位置，并重复步骤S21-S23。
其中，步骤S21中，超声波发射探头发射出的超声波的第一波数的计算公式如下：/>；
待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数的计算公式如下：；
零阶第二类汉克尔函数的计算公式如下：
，其中，A为零阶第二类汉克尔函数/>的自变量；
n阶纽曼函数 的计算公式如下：
，其中，B为n阶纽曼函数/>的自变量， />为n的阶乘。
进一步地，步骤S22中构建的超声波传播区域系数计算模型如下：
。
其中，为超声波发射探头发射出的超声波处的位置矢量，即超声波发射探头发射出的超声波在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角为/>的位置矢量，，/>为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标；为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处的位置矢量，即待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角为/>的位置矢量，/>，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标。
为了保证激光器向换热管和管板缝隙之间投射的激光束落在缝隙处的每个激光光斑的激光功率密度能够保证对焊缝形成深熔小孔，进而使2激光填丝焊对缝隙形成有效焊接，而不是表面焊接，有必要对每个激光光斑的激光功率密度进行限定，因此，如图8所示，作为本发明的另一个优选实施例，步骤S3包括以下步骤：
S31：计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度；
S32：根据步骤S31的计算结果，构建激光功率密度函数 ：
。
采用激光功率密度函数，计算发射出的激光投射至待焊接的换热管和管板之间缝隙边缘一点的激光光斑的激光功率密度，其中，激光器发射出的激光所在光轴与探头本体坐标系的x轴重合，因此发射出的激光所在的激光脉冲坐标系的横轴坐标为/>，纵轴坐标为/>，/>，其中，/>为发射出的激光所在激光束的腰部半径，f为激光发射频率；/>为发射出的激光光斑的半径；
S33：判断激光功率密度是否处于最优焊接阈值范围内，若是，则控制激光器发射出激光，否则重复步骤S31-S32；最优焊接阈值范围为＞105W/cm2。
当激光功率密度≤105W/cm2时，激光将能量输送到焊缝表面，使得换热管和板材这些母材金属表面加热到熔点和沸点之间，母材金属材料表面将所吸收的光能转化为热能使母材金属表面温度不断升高而熔化，再以热传导的方式将热能传向金属内部，使熔化区域逐渐扩大，冷却后形成焊缝，这种仅仅在焊缝表面形成一定表层熔化的热导焊不足以对另一侧的焊缝进行有效的密封，容易导致面向激光器的内侧焊接紧固的情况下外侧仅仅是虚焊，不足以达到换热器所需要的气密性和密封性需求。
通过限定激光功率密度在最优焊接阈值范围：＞105W/cm2内，激光束作用至母材金属表面引起局部熔化并形成“小孔”，激光束通过“小孔”深入至熔池内部，进而母材金属在小孔前方熔化，熔融的母材金属绕过小孔向后方流，重新凝固后形成焊缝，由于形成一定深度的深熔小孔，进而提高了换热管与管板之间缝隙内外侧的有效密封焊接。
将采用本发明上述S31-步骤S33流程的步骤S3中，在以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启送丝机、侧保护气管和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊时，通过构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝与未采用本发明S31-步骤S33流程的步骤S3，即仅仅采用常规的激光填丝焊以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启送丝机、侧保护气管和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊这两种对比情况的激光光斑进行比对，如图9所示，其中（a）为采用了具有S31-步骤S33的激光填丝焊过程中激光器发射出的激光光斑图像，其中（b）为未采用具有S31-步骤S33的激光填丝焊过程中激光器发射出的激光光斑图像；由（a）和（b）对比，可知，经过上述具有S31-步骤S33的构建激光功率密度函数，并限定激光光斑的激光功率密度在最优焊接阈值范围内，能够有效保证激光接过程中在焊缝形成深熔小孔，（a）中的激光光斑亮度更亮，表明其激光光斑的功率密度相较于（b）更加集中且激光功率密度较大，能够保证形成深熔小孔，进而保证了焊接的密封度。
进一步地，步骤S31计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度 的公式如下：
。
其中，D为高斯衍射系数，，其中， />为计算结果的阶乘；f为激光发射频率；s为发射的激光峰值强度泰勒展开项数；j为虚数；/>为伽马函数；p为发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位，/>是关于变/>、 />和 />的超几何函数；
，m为超几何函数的幂指数；；/>。
进一步优选地，发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位p的计算公式如下：
。
作为本发明的另一个优选实施例，步骤S3中激光填丝焊采用的焊丝为H08CrMoHIC焊丝，焊丝的直径为2mm～2.5mm；换热管和管板的材质均采用镍铁铬合金Incoloy825材质；管板厚度为50mm～55mm，换热管的半径为10mm～12.5mm，管板的孔内径与换热管的外径之差小于0.15mm，如图5所示，在焊接前将换热管缩进管板内部2.5mm～3mm。
为了保证焊接之后换热管与管板之间的缝隙不是虚焊，需要对焊接后的换热管与管板之间的气密性进行进一步检验，因此如图10所示，作为本发明的另一个优选实施例，步骤S4包括以下步骤：
S41：启动抽真空装置使换热管内获得低于4mbar的真空度；
S42：启动检测气体混合装置，向已经焊接完毕的换热管内充入干空气和氦气的均匀气体混合物，按照体积分数计，氦气的含量大于30%，实时监测气体混合装置输出的均匀气体混合物的压力 ，被检测换热管内的气体压力/>，以及被检测换热管焊接完毕的缝隙处的气体压力 />；
S43：构建气密性检验参数k的计算模型：
。
其中， 为一个大气压力，/>=0.1013MPa；
S44：判断气密性检验参数判断值g是否大于0.85，若大于，则已经焊接完毕的换热管和管板之间的焊缝气密性合格，完成焊接，否则重复步骤S41-S43；
。
本发明还提供采用如上方法的换热器管板焊接装置，如图11所示，装置包括送丝机、激光器、侧保护气管和气密性检测装置，气密性检测装置包括抽真空装置和检测气体混合装置；送丝机用于为装置在激光填丝焊过程中同步送丝，送丝速率为1.50m/min～4.00m/min；侧保护气管用于在激光填丝焊过程中提供保护气，优选保护气为氩气或氦气，送气速率为0.25m/min～0.3m/min；装置的焊接速率为25mm/s～30mm/s，其特征在于，装置还包括超声波探头、焊接行走轨迹规划模块、焊接激光发射控制模块和气密性检测模块；激光器与超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
超声波探头用于向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
焊接行走轨迹规划模块，实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；
焊接激光发射控制模块，以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启送丝机和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；
气密性检测模块，用于当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，保证焊接完的缝隙不会出现泄漏，若未达到气密性检测标准，则重复步骤S1-S3。气密性检测由气密性检测模块控制气密性检测装置开启而实现。
图11中的超声波探头处于与激光器同一位置，但是并不会影响激光束的发射。
本申请提供的换热器管板焊接方法可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。机器可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。机器可读存储介质的例子包括但不限于：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。，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。并且本文中的术语“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、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，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、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.换热器管板焊接方法，所述方法采用激光填丝焊技术对待焊接的换热管与管板之间的缝隙进行焊接，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制超声波探头向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
S2：实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；所述激光器与所述超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
S3：以换热管底部中心线与管板堆焊层的交点为起点，同时开启送丝机、侧保护气管和激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；
S4：当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复所述步骤S1-S3；
所述S2步骤，包括以下步骤：
S21：计算超声波发出处波长和换热管与管板缝隙接收到超声波处超声波波长/>：
，/>；
其中，为超声波发射探头半径，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙半径；/>为零阶第二类汉克尔函数；/>为n阶纽曼函数；j为虚数，/>；/>为超声波发射探头发射出的超声波的第一波数，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数；
S22：根据所述S21步骤计算得到的结果，构建超声波传播区域系数计算模型，其中，/>为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系yz平面内与z轴的夹角；
S23：构建超声波传输功率差稳态计算模型C如下：
；
其中，W为超声波传输功率差，即为超声波发射探头发出的超声波处与待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处之间的环形区域内的超声波传输功率差；为超声波传输功率差最小值，/>为超声波功率差最大值；
；
S24：判断所述超声波传输功率差稳态计算模型C是否小于0.15，若是，则控制激光器以实时监测得到的所处探头本体坐标系的坐标行进，其中，/>、/>和/>分别为所述S2步骤实时监测得到的超声波探头于探头本体坐标系内的横坐标、纵坐标和竖坐标；否则调整激光器在探头本体坐标系内的位置，并重复所述步骤S21-S23；
所述S3步骤包括以下步骤：
S31：计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度；
S32：根据所述S31步骤的计算结果，构建激光功率密度函数：
；
其中，激光器发射出的激光所在光轴与探头本体坐标系的x轴重合，因此发射出的激光所在的激光脉冲坐标系的横轴坐标为，纵轴坐标为/>，/>，其中，为发射出的激光所在激光束的腰部半径，f为激光发射频率；/>为发射出的激光光斑的半径；
S33：判断激光功率密度是否处于最优焊接阈值范围内，若是，则控制激光器发射出激光，否则重复所述步骤S31-S32；所述最优焊接阈值范围为＞105W/cm2。
2.根据权利要求1所述的换热器管板焊接方法，其特征在于，所述S21步骤中，所述超声波发射探头发射出的超声波的第一波数的计算公式如下：/>；
所述待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波的第二波数的计算公式如下：；
所述零阶第二类汉克尔函数的计算公式如下：
，其中，A为所述零阶第二类汉克尔函数/>的自变量；
所述n阶纽曼函数的计算公式如下：
，其中，B为所述n阶纽曼函数的自变量，/>为n的阶乘。
3.根据权利要求2所述的换热管板焊接方法，其特征在于，所述S22步骤中构建的超声波传播区域系数计算模型如下：
；
其中，为超声波发射探头发射出的超声波处的位置矢量，/>，/>为超声波发射探头发射出的超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标；/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处的位置矢量，/>，/>为待焊接的换热管与管板之间缝隙接收到超声波处在探头本体坐标系的z轴坐标。
4.根据权利要求1所述的换热器管板焊接方法，其特征在于，所述S31步骤计算发射出的激光落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的激光峰值强度的公式如下：
；
其中，D为高斯衍射系数，；f为激光发射频率；s为发射的激光峰值强度泰勒展开项数；j为虚数；/>为伽马函数；p为发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位；/>是关于变量/>、/>和的超几何函数；
，m为所述超几何函数的幂指数；；/>。
5.根据权利要求4所述的换热器管板焊接方法，其特征在于，所述发射出的激光的落在待焊接的换热管与管板之间缝隙处的光斑的相位p的计算公式如下：
。
6.根据权利要求1所述的换热器管板焊接方法，其特征在于，所述S3步骤中激光填丝焊采用的焊丝为H08CrMoHIC焊丝，焊丝的直径为2mm～2.5mm；换热管和管板的材质均采用镍铁铬合金Incoloy825材质；所述管板厚度为50mm～55mm，所述换热管的半径为10mm～12.5mm，所述管板的孔内径与所述换热管的外径之差小于0.15mm，在焊接前将所述换热管缩进所述管板内部2.5mm～3mm。
7.根据权利要求1所述的换热器管板焊接方法，其特征在于，所述S4步骤包括以下步骤：
S41：启动抽真空装置使换热管内获得低于4mbar的真空度；
S42：启动检测气体混合装置，向已经焊接完毕的换热管内充入干空气和氦气的均匀气体混合物，按照体积分数计，氦气的含量大于30%，实时监测气体混合装置输出的所述均匀气体混合物的压力，被检测换热管内的气体压力/>，以及被检测换热管焊接完毕的缝隙处的气体压力/>；
S43：构建气密性检验参数k的计算模型：
；
其中，为一个大气压力，/>=0.1013MPa；
S44：判断气密性检验参数判断值g是否大于0.85，若大于，则已经焊接完毕的换热管和管板之间的焊缝气密性合格，完成焊接，否则重复所述步骤S41-S43；
。
8.采用如权利要求1-7任一所述方法的换热器管板焊接装置，所述装置包括送丝机、激光器、侧保护气管和气密性检测装置，所述气密性检测装置包括抽真空装置和检测气体混合装置；所述送丝机用于为所述装置在激光填丝焊过程中同步送丝，送丝速率为1.50m/min～4.00m/min；所述侧保护气管用于在激光填丝焊过程中提供保护气；所述装置的焊接速率为25mm/s～30mm/s，其特征在于，所述装置还包括超声波探头、焊接行走轨迹规划模块、焊接激光发射控制模块和气密性检测模块；所述激光器与所述超声波探头处于探头本体坐标系的同一位置；
所述超声波探头用于向待焊接的换热管与管板之间的缝隙发射超声波信号；
所述焊接行走轨迹规划模块，实时监测换热管轴线中心与待焊接的换热管与管板之间缝隙的超声波信号和超声波探头所处位置，构建超声波传输功率差稳态计算模型，控制所述激光器以待焊接的换热管与管板之间缝隙轨迹准确行走；
所述焊接激光发射控制模块，以换热管中心线与管板交点为起点，同时开启所述送丝机、所述侧保护气管和所述激光器对换热管与管板之间缝隙进行激光填丝焊，构建激光功率密度函数，以最优激光功率密度发射激光熔融焊丝；
所述气密性检测模块，用于当焊接完一个换热管与管板之间缝隙，对已经焊接完毕的换热管与管板之间缝隙进行气密性检测，检测缝隙是否焊接良好，若未达到气密性检测标准，则重复所述步骤S1-S3。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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