本發(fā)明屬于金屬材料焊接領(lǐng)域，具體涉及一種管式換熱器中換熱管與管板的電子束焊接方法。

背景技術(shù)：

管式換熱器具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、結(jié)構(gòu)緊湊、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在冶金、化工、煉油、鍋爐、機(jī)械等行業(yè)廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在海洋艦船、潛艇領(lǐng)域中也具有非常廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的換熱器中管子與管板的連接為簡單的端頭封焊形式，只需采用普通的自動(dòng)或手工TIG焊（惰性氣體鎢極保護(hù)焊），就能夠滿足要求。

然而，對于一種新型的換熱器，如圖1所示，換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式比較特殊，需要將換熱管的一端伸出管板上相應(yīng)安裝孔后50-700mm的距離，每根換熱管與相鄰換熱管的間距約為3-15mm（該距離指的是相鄰換熱管中心線間距減去兩個(gè)換熱管的半徑之和后得到的差值），且管子直徑細(xì)小，普通焊接方法無法接近焊縫區(qū)域進(jìn)行焊接，而且焊接質(zhì)量要求較高高，需要滿足多項(xiàng)力學(xué)性能要求指標(biāo)。

電子束焊接技術(shù)利用聚焦的電子束流撞擊工件表面，將工件熔化實(shí)現(xiàn)焊接，目前高壓型電子束焊接工作距離可達(dá)到1500mm，電子槍無需接近焊縫處，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離焊接，且真空電子束焊接穿透能力強(qiáng)、熱輸入量小、焊接速度快、真空條件下焊縫純凈度高、焊接變形與殘余應(yīng)力小的眾多優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的焊接。

申請?zhí)枮镃N201610396529.9的發(fā)明專利申請公開了一種鈦合金換熱器中管子與管板的電子束焊接方法，該方法雖然能夠解決該種換熱器換熱管與管板的焊接問題，但是對于直徑較大的管板，以及換熱管較多的換熱器來說，不容易通過兩個(gè)水平方向的移動(dòng)（CN201610396529.9中在X軌道和Y軌道上的運(yùn)動(dòng)）來實(shí)現(xiàn)換熱管最終繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，從而會(huì)影響到生產(chǎn)效率，因此需要提出一種新的電子束焊接方法，以提高該種換熱器中換熱管與管板的焊接效率，彌補(bǔ)上述專利申請公開的技術(shù)方案的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種管式換熱器中換熱管與管板的電子束焊接方法，能夠彌補(bǔ)上述專利申請公開的技術(shù)方案的不足，生產(chǎn)效果高，生產(chǎn)成本低。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種管式換熱器中換熱管與管板的電子束焊接方法，其中，換熱管的外半徑為R，其特征在于，包括如下步驟：

一）、將多根換熱管裝配到管板上各自對應(yīng)的安裝孔中，并相對固定；

二）、使管板水平位于電子束發(fā)射端的正下方，并與電子束發(fā)射端保持確定的工作距離，然后移動(dòng)管板，使電子束垂直落在管板上端面的束斑與對應(yīng)焊接換熱管中心的距離為 S，將此時(shí)束斑所在的位置定義為點(diǎn) O，其中，S>R，且S的大小需保證接下來的焊接過程中電子束與任一個(gè)換熱管不會(huì)接觸；隨后，使電子束與豎直方向呈一定夾角，使落在管板上的束斑位于對應(yīng)焊接換熱管與管板之間的焊縫處；最后，采用選用的焊接工藝參數(shù)，使束斑沿著以點(diǎn)O為圓心，以S-R為半徑的圓進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，使管板以點(diǎn)O為圓心，以S為半徑與束斑同方向且同角速度進(jìn)行平動(dòng)；束斑和管板均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360-720°以后停止，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接；

三）、重復(fù)步驟二），直至完成所有換熱管與管板之間的焊接。

步驟二）中，束斑和管板優(yōu)選均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)540°以后停止，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接，具體為：首先，X-Y工作臺(tái)和束斑均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°以進(jìn)行電子束束流的緩升起??；然后，X-Y工作臺(tái)和束斑繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360°以進(jìn)行電子束的平穩(wěn)焊接，最后X-Y工作臺(tái)和束斑繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°以進(jìn)行電子束束流的緩降收弧，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接，其中，管板固定在X-Y工作臺(tái)上隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

步驟二）中，電子束和工件優(yōu)選均處于真空室內(nèi)，真空室壓力不大于5×10^-3Pa，其中所述的工件指的是換熱管與管板裝配后的共同體。

可以在所有換熱管與管板的焊接完成后，采用修飾焊接工藝對各換熱管與管板之間的焊縫處進(jìn)行散焦修飾，焊接路徑同步驟二）。

全部焊接完成后，可將工件在真空環(huán)境下冷卻8-12min后消除真空，取出工件。

步驟二）中，選用的焊接工藝參數(shù)中，優(yōu)選加速電壓為150 kV。

步驟二）中，選用的焊接工藝參數(shù)中，電子束束流優(yōu)選為2~15mA。

步驟二）中，選用的焊接工藝參數(shù)中，電子束的焊接速度優(yōu)選為300-1000mm/min。

有益效果：

根據(jù)本發(fā)明，使電子束的束斑繞著一個(gè)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，換熱管和管板一起以該點(diǎn)為圓心做平動(dòng)從而使束斑始終都能在待焊接換熱管與管板之間的焊縫上移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對換熱管與管板之間的焊接。該方法不僅能夠避免在管板上焊接批量換熱管時(shí)的遮擋問題，實(shí)現(xiàn)批量換熱管與管板的可靠焊接，而且由于本方法通過換熱管的平動(dòng)和電子束束斑的圓周運(yùn)動(dòng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)換熱器管與管板的焊接， 操作容易方便，可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

采用本方法焊接后的換熱管與管板的結(jié)合強(qiáng)度能夠滿足長期6MPa耐壓使用要求，管子內(nèi)壁無損傷或縮小等現(xiàn)象。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步具體詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的新型的換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施時(shí)，換熱管與管板的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施過程中工件與束斑的初始位置狀態(tài)示意圖。

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施過程中束斑與對應(yīng)焊接換熱管的運(yùn)動(dòng)軌跡俯視示意圖。

圖5為具體實(shí)施過程中電子束與對應(yīng)焊接換熱管之間的位置關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明工作原理示意圖（圖中顯示出了束斑和對應(yīng)焊接換熱管101均沿箭頭所示方向繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)過程中 ，對應(yīng)焊接換熱管101上四個(gè)點(diǎn)（A、B、C、D與束斑進(jìn)行焊接的位置狀態(tài)）。

圖中，1、換熱管，101、對應(yīng)焊接換熱管（指的是處在焊接過程中的那一根換熱管），2、管板，3、X-Y工作臺(tái)，4、電子束，401、束斑，5、束斑運(yùn)動(dòng)軌跡，6、換熱管運(yùn)動(dòng)軌跡，P，對應(yīng)焊接換熱管中心。

具體實(shí)施方式

一種管式換熱器中換熱管與管板的電子束焊接方法，具體實(shí)施方式步驟如下：

一、換熱管1與管板2焊接前的準(zhǔn)備工作：

1）、通過酸洗的方式清理待焊換熱管與管板上殘存油污，再用丙酮進(jìn)行擦拭。

2）、將待焊接的多根換熱管1安裝到管板2上各自對應(yīng)的安裝孔中，裝配結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，裝配時(shí)需保證換熱管1的管壁與管板2的垂直度，裝配完成后采用擴(kuò)管的方式實(shí)現(xiàn)換熱管1的外壁與安裝孔之間的緊密配合，使用丙酮沖洗換熱管與管板之間接觸面及附近的部位；

3）、利用壓縮空氣清理管板機(jī)換熱管表面灰塵顆粒；

4）、利用工裝將裝配完成后的工件（即換熱管與管板裝配后的共同體）固定在電子束焊機(jī)的X-Y工作臺(tái)3上，注意保持待焊工作面（指的是管板2的上端面）的水平度，電子槍的發(fā)射端與待焊工作面的距離（以下簡稱工作距離）可根據(jù)實(shí)際情況在200~1200mm之間進(jìn)行選用，以方便焊接為宜；本實(shí)施方式采用的電子束焊機(jī)的X-Y工作臺(tái)3與電子束發(fā)射槍之間具有聯(lián)動(dòng)功能，使得電子束束斑的運(yùn)動(dòng)與對應(yīng)焊接換熱管的運(yùn)動(dòng)（實(shí)際是管板的運(yùn)動(dòng)，管板隨著X-Y工作臺(tái)3運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)所有換熱管運(yùn)動(dòng)）之間能夠保持協(xié)調(diào)與同步。

二、電子束焊接過程：

1）、抽取電子束焊機(jī)真空室內(nèi)的空氣到真空室內(nèi)的壓力小于5×10^-3Pa；

2）、調(diào)整電子束的加速電壓為150KV，采用0.5-2mA的小束流尋找焊接位置：具體可通過數(shù)控移動(dòng)X-Y工作臺(tái)3，先使對應(yīng)焊接換熱管101的中心移動(dòng)到電子束垂直落在管板上端面上的束斑401的正中心處，如圖3所示；然后再向右（此處的方向與圖3本身的左右相一致）移動(dòng)X-Y工作臺(tái)3，使束斑401位于對應(yīng)焊接換熱管101 的左邊，且與對應(yīng)焊接換熱管的中心的距離為S，將此時(shí)束斑所在的位置定義為點(diǎn)O，如圖4所示。其中S>R，，R 為換熱管的外半徑，S的大小還需保證接下來的焊接過程中電子束與任一個(gè)換熱管不會(huì)接觸；隨后，使電子束4與豎直方向呈一定夾角，使落在管板上的束斑位于對應(yīng)焊接換熱管101與管板2之間的焊縫處，如圖5所示；最后，采用選用的焊接工藝參數(shù)，使束斑沿著以點(diǎn)O為圓心，以S-R為半徑的圓進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，使管板以點(diǎn)O為圓心，以S為半徑與束斑同方向且同角速度進(jìn)行平動(dòng)；束斑和管板均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360-720°后停止，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接。

束斑和管板具體繞點(diǎn)O的運(yùn)動(dòng)角度，根據(jù)電子束實(shí)際需要起弧和收弧的情況進(jìn)行確定，如果不需要起弧和收弧，則束斑和管板均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360 °后停止，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接；如果需要起弧和收弧，則需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于360°，比如，可以選擇如下方式進(jìn)行焊接：

首先，使X-Y工作臺(tái)和束斑均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°，進(jìn)行電子束束流的緩升起?。蝗缓?，X-Y工作臺(tái)和束斑繼續(xù)繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360°，進(jìn)行電子束的平穩(wěn)焊接，最后X-Y工作臺(tái)和束斑繼續(xù)繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°，進(jìn)行電子束束流緩降收弧，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接，采用這樣的方式，X-Y工作臺(tái)和束斑均繞點(diǎn)O 運(yùn)動(dòng)的角度即為540°。

實(shí)際操作中，電子束束流起弧和收弧的角度可以根據(jù)需要在0-180°之間進(jìn)行選擇。

重復(fù)步驟2）將所有的換熱管與管板焊接在一起后，進(jìn)入下一個(gè)步驟。

3）、采用修飾焊接工藝對各個(gè)焊縫處進(jìn)行電子束散焦修飾焊接，焊接路徑與步驟2）相同；

4）、依次對管板上各焊縫處進(jìn)行電子束蓋面修飾焊接；

5）、上述焊接完成后，將工件在真空環(huán)境中冷卻8-12min，然后去真空并取出焊接完成的工件，整個(gè)焊接工作完成。

上述具體實(shí)施方式中，步驟2）中選用的焊接工藝參數(shù)如下：采用焊接速度300~600mm/min，加速電壓150kV，電子束束流2~15mA，步驟3）中采用如下焊接工藝參數(shù)：焊接速度280-320mm/min，加速電壓150kV，電子束束流2~10mA，工作距離200~1000mm。

實(shí)施例1：

根據(jù)上述具體實(shí)施方式，以均為鈦合金材料的換熱管與管板之間的焊接為例，進(jìn)一步說明本發(fā)明尤其是其中一些參數(shù)的應(yīng)用。

該實(shí)施例中，換熱管與管板的材質(zhì)均為TA2，換熱管規(guī)格為Φ15×2（即換熱管的外半徑R為7.5mm，厚度為2mm），換熱管伸出管板上端的長度為500mm，相鄰換熱管的中心線距離為20mm。

具體操作步驟如下：

1）、通過酸洗的方式清理待焊換熱管與管板上殘存油污，再用丙酮進(jìn)行擦拭。

2）、將待焊接的多根換熱管1安裝到管板2上各自對應(yīng)的安裝孔中，裝配結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，裝配時(shí)需保證換熱管1的管壁與管板2的垂直度，裝配完成后采用擴(kuò)管的方式實(shí)現(xiàn)換熱管1的外壁與安裝孔之間的緊密配合，使用丙酮沖洗換熱管與管板之間接觸面及附近的部位；

3）、利用壓縮空氣清理管板機(jī)換熱管表面灰塵顆粒；

4）、利用工裝將裝配完成后的工件（即換熱管與管板裝配后的共同體）固定在電子束焊機(jī)的X-Y工作臺(tái)3上，注意保持待焊工作面（指的是管板2的上端面）的水平度，電子槍的發(fā)射端與待焊工作面的距離（以下簡稱工作距離）選用1000mm ；本實(shí)施方式采用的電子束焊機(jī)的X-Y工作臺(tái)3與電子束發(fā)射槍之間具有聯(lián)動(dòng)功能，使得電子束束斑的運(yùn)動(dòng)與對應(yīng)焊接換熱管的運(yùn)動(dòng)（實(shí)際是管板的運(yùn)動(dòng)，管板隨著X-Y工作臺(tái)3運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)所有換熱管運(yùn)動(dòng)）之間能夠保持協(xié)調(diào)與同步。

二、電子束焊接過程：

1）、抽取電子束焊機(jī)真空室內(nèi)的空氣到真空室內(nèi)的壓力小于5×10^-3Pa；

2）、調(diào)整電子束的加速電壓為150KV，采用0.5-2mA的小束流尋找焊接位置：具體可通過數(shù)控移動(dòng)X-Y工作臺(tái)3，先使對應(yīng)焊接換熱管101的中心移動(dòng)到電子束垂直落在管板上端面上的束斑401的正中心處，如圖3所示；然后再向右（此處的方向與圖3本身的左右相一致）移動(dòng)X-Y工作臺(tái)3，使束斑401位于對應(yīng)焊接換熱管101 的左邊，且與對應(yīng)焊接換熱管的中心的距離為S，將此時(shí)束斑所在的位置定義為點(diǎn) O，如圖4所示。該實(shí)施例中，S的值確定為9.5mm；隨后，使電子束4與豎直方向呈一定夾角，使落在管板上的束斑位于對應(yīng)焊接換熱管101與管板2之間的焊縫處，如圖5所示；最后，采用選用的焊接工藝參數(shù)，使束斑沿著以點(diǎn)O為圓心，以2mm為半徑的圓進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，使管板以點(diǎn)O為圓心，以9.5mm為半徑與束斑同方向且同角速度進(jìn)行平動(dòng)；束斑和管板均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)540°后停止，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接。

該步驟中，束斑和管板繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)的過程具體如下：首先，使X-Y工作臺(tái)和束斑均繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°，進(jìn)行電子束束流的緩升起弧；然后，X-Y工作臺(tái)和束斑繼續(xù)繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)360°，進(jìn)行電子束的平穩(wěn)焊接，最后X-Y工作臺(tái)和束斑繼續(xù)繞點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)90°，進(jìn)行電子束束流緩降收弧，完成一個(gè)換熱管與管板之間的焊接，采用這樣的方式，X-Y工作臺(tái)和束斑均繞點(diǎn)O 運(yùn)動(dòng)的角度即為540°。

重復(fù)步驟2）將所有的換熱管1與管板2焊接在一起后，進(jìn)入下一個(gè)步驟。

3）、上述焊接完成后，采用修飾焊接工藝對各個(gè)焊縫處進(jìn)行電子束散焦修飾焊接，焊接路徑與步驟2）相同；

4）、依次對管板上各焊縫處進(jìn)行電子束蓋面修飾焊接；

5）、上述焊接完成后，將工件在真空環(huán)境中冷卻10min，然后除去真空并取出焊接完成的工件，整個(gè)焊接工作完成。

本實(shí)施例中，步驟2）中選用的焊接工藝參數(shù)如下：采用焊接速度500mm/min，加速電壓150kV，電子束束流12mA，步驟3）中采用如下焊接工藝參數(shù)：焊接速度300mm/min，加速電壓150kV，電子束束流10mA，工作距離也為1000mm。

本發(fā)明采用能量集中、熱輸入小、穿透能力強(qiáng)、可控性好的電子束作為施焊熱源，能夠在焊接時(shí)控制熱輸入量，可防止管子在焊接時(shí)發(fā)生變形，進(jìn)一步地，焊接過程在真空室進(jìn)行，可避免大氣中有害氣體對焊接接頭性能的影響，有效地提高了接頭綜合性能； 不僅可避免其他焊接方式在換熱管與管板處不可接近的限制，實(shí)現(xiàn)了換熱管與管板之間的焊接；而且本發(fā)明中采用換熱管的平動(dòng)和電子束束斑的圓周運(yùn)動(dòng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)換熱器管與管板的焊接，操作更加容易方便，可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

本文未詳述部分為現(xiàn)有技術(shù)，且以上具體實(shí)施方式和實(shí)施例均是為了說明本發(fā)明，其并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下通過任何改動(dòng)而得到的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。