钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法
【专利摘要】钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，待焊接管子的圆心坐标为（x1，y1），旋转台圆心坐标为（x0，y0），首先，移动XY工作台，使电子枪中心位于（x1+R+L，y1）位置处，然后，调整电子枪使其束斑移至（x1+R，y1），接着，在所述旋转台匀速自转的同时，调整XY工作台使旋转台沿X轨道和Y轨道运动，以保持待焊接管子的圆心在（x1，y1）位置并匀速自转，通过固定发射位置和方向的电子枪对转至（x1+R，y1）位置的待焊接管子与管板的连接处进行焊接，待焊接管子自转一周即完成一根管子的焊接。本发明可实现大批量、小间距管子与管板的可靠焊接。
【专利说明】
钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料焊接领域，具体是关于一种钛合金换热器中管子与管板的电 子束焊接方法。
【背景技术】
[0002] 热管式换热器具有极高的导热性、良好的等温性、结构紧凑、可控制温度等一系列 优点，目前在冶金、化工、炼油、锅炉、机械等行业应用广泛，并取得了显著的经济效益，在海 洋舰船、潜艇领域中也具有非常广泛的应用前景。传统的换热器中，管子与管板结构仅为简 单的端头封焊形式，如自动或手工TIG焊，均能够满足要求。
[0003] 然而，一种新型钛合金换热器中管子与管板连接结构形式特殊，如图1所示，需要 将管子伸出管板50-700mm长度，每根管子与相邻管子间距约为3-15mm，管子直径细小，并且 管子间距小，普通焊接方法无法接近焊缝区域进行焊接，而且焊接质量要求高，需要满足多 项力学性能要求指标，目前尚无成功应用案例，因此无法加工制造。
[0004] 电子束焊接技术利用聚焦的电子束流撞击工件表面，将工件熔化实现焊接，目前 高压型电子束焊接的工作距离可达到1500mm，电子枪无需接近焊缝处，能够实现远距离焊 接，且真空电子束焊接具有穿透能力强、热输入量小、焊接速度快、真空条件下焊缝纯净度 高、焊接变形与残余应力小等众多优点，非常适合应用于本发明结构的焊接。在对大批量、 小间距的管子与管板连接处进行焊接时，由于电子束流需与待焊管子始终呈小角度倾斜， 在管子移动焊接时，相邻管子间的遮挡会导致无法焊接，成为业界的难题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是公开一种钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，实现大 批量、小间距管子与管板的可靠焊接。
[0006] 本发明采用的技术方案是钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，将用工 装装配好的管子与管板固定在电子束焊机的旋转台上，所述旋转台位于XY工作台上，该XY 工作台包括相互垂直的X轨道和Y轨道，待焊接管子的圆心坐标为(Xl，yl)，旋转台圆心坐标 为(X〇，y〇)，首先，移动XY工作台，使电子枪中心位于(Xl +R+L，yl)位置处，然后，调整电子枪 使其束斑移至(Xl +R，y 1 )，接着，在所述旋转台匀速自转的同时，调整XY工作台使旋转台沿X 轨道和Y轨道运动，以保持待焊接管子的圆心在(xl，yl)位置并匀速自转，通过固定发射位 置和方向的电子枪对转至(xl+R，yl)位置的待焊接管子与管板的连接处进行焊接，待焊接 管子自转一周即完成一根管子的焊接，其中，R是管子半径，1￡(〇，1〇，1^(1一21?，(1是相邻两 个管子中心的最小间距。
[0007] 当待焊接管子的圆心位于旋转台圆心时，xl= x0，yl= y0,旋转台沿X轨道和Y轨道 的运动量为零。
[0008] 所述电子枪对待焊接管子与管板连接处的焊接是先缓升起弧焊接90°，再平稳焊 接360°，最后缓降收弧90°，焊接速度是300~1000mm/min，电子束束流是2~15mA，电子枪发射 端到管子待焊处的工作距离是200~1000mm。
[0009] 在真空室内进行焊接，真空室的真空度优于5 X l(T3Pa。
[0010] 在焊接前，将电子束焊机高压升至150kv。
[0011] 所述旋转台沿XY工作台的X轨道和Y轨道的运动速度是300~1000mm/min。
[0013] 焊接完后，采用修饰焊接工艺沿相同的焊接路径对焊缝处进行散焦修饰，之后对 管板焊缝处进行电子束盖面修饰，焦点修饰和盖面修饰的焊接速度是300~800mm/min。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1、 本发明提出了一种新的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，旋转台旋转 会使不在中心的待焊接管子只能绕旋转台圆心旋转，而不能自转导致脱离固定发射位置和 方向的电子枪的焊接处，本发明利用位于旋转台下面的XY工作台，解决待焊管子圆心脱离 待焊位置的问题，通过X轨道和Y轨道运动的同时运动，使焊接管子保持在原位以自身圆心 (xl，yl)匀速自转，以此来保证待焊接管子外边沿一周与管板的连接处均能匀速旋转到电 子枪打到的位置(xl+R，yl)进行焊接，克服了现有其他焊接方式在管子与管板处不可接近 的限制，避免了焊接大批量、小间距管子时管子之间的遮挡问题，实现了批量管子与管板的 可靠焊接； 2、 采用能量集中、热输入小、穿透能力强、可控性好的电子束作为施焊热源，能够在焊 接时控制热输入量，防止管子在焊接时发生变形，同时焊接过程在真空室进行，避免了大气 中有害气体对焊接接头性能的影响，有效地提高了综合性能； 3、 采用本发明方法焊接的管子与管板连接处低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂 等缺陷，管子内壁无损伤或缩小等现象，尺寸精度均满足热管式换热器使用技术要求，经耐 压试验测试结果标明，接头处可长期承载6MPa水压。
【附图说明】
[0015] 图1是钛合金换热器中管子与管板的结构示意图； 图2是电子束焊接管子与管板的装配结构示意图； 图3是电子束焊接管子与管板的原理示意图； 图4是电子束焊接管子与管板的原理示意图。
[0016] 1:管板，2:管子，3:旋转台，4:XY工作台，5:电子束。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0018] 本发明提出一种钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，将用工装装配好 的管子与管板固定在电子束焊机的旋转台上，所述旋转台位于XY工作台上，该XY工作台包 括相互垂直的X轨道和Y轨道，当待焊接管子的圆心坐标(xl，yl)与旋转台圆心坐标(x〇，y〇) 不重合时，首先，移动XY工作台，使电子枪中心位于(xl+R+L，yl)位置处，然后， 调整电子枪使其束斑移至(xl+R，yl)，使电子枪倾斜并对准管子外边沿且与管板连接 处(XI +R，y 1 )，接着，在所述旋转台匀速自转的同时，调整XY工作台使旋转台沿X轨道和Y轨 道运动，以保持待焊接管子的圆心在(xl，yl)位置并匀速自转，通过固定发射位置和方向的 电子枪对转至(xl+R，yl)位置的待焊接管子与管板的连接处进行焊接，待焊接管子自转一 周即完成一根管子的焊接，R是管子半径，1^(〇，1〇沽=(1一21?，(1是相邻两个管子中心的最小 间距。
[0019]当待焊接管子的圆心位于旋转台圆心时，Xl= xO，yl= yO,旋转台沿X轨道和Y轨道 的运动量为零。待焊接管子的圆心坐标记作(x〇，y〇)，首先，移动XY工作台，使电子枪中心位 于(xO+R+L，yO)位置处，然后，调整电子枪使其束斑移至(xO+R，yO)，使电子枪倾斜并对准管 子外边沿且与管板连接处(xO+R，y〇 )，接着，在所述旋转台匀速自转的同时，调整XY工作台 使旋转台沿X轨道和Y轨道运动，以保持待焊接管子的圆心在(x〇，y〇)位置并匀速自转，通过 固定发射位置和方向的电子枪对转至(x〇+R，y〇)位置的待焊接管子与管板的连接处进行焊 接，待焊接管子自转一周即完成一根管子的焊接。
[0020] 所述电子枪对待焊接管子与管板连接处的焊接是先缓升起弧焊接90°，再平稳焊 接360°，最后缓降收弧90°，焊接速度是300~1000mm/min，电子束束流是2~15mA，电子枪发射 端到管子待焊处的工作距离是200~1000mm。
[0021] 实施例一 在本实施例中，换热器中管板1和管子2材料均为TA2,共有9个管子2,管子2的规格和间 距相同，管子外径Dl=15mm，管壁厚H=2mm，管子内径D2=llmm，管子半径R指的是外径的一半， 即R=7.5mm，管子之间的间距指的是两个管子的圆心的距离，相邻两个管子中心之间的最小 间距d=20mm，那么，相邻两个管子外壁之间的最小距离k= d - 2R=d-Dl=5mm，管子伸出管板 的长度为500_。本实施例中：
，具体焊接工艺是： (1) 将管子2与管板1进行清理，用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污； (2) 将管子2与管板1进行装配，装配结构形式如图2所示，装配时保证管壁与管板1垂 直，装配完成后采用扩管的方式实现管子2与管板1的紧密配合，使用丙酮冲洗接触面，利用 压缩空气清理板件表面灰尘颗粒； (3) 图2是电子束焊接管子2与管板1的装配结构示意图。如图2,将用工装装配好的管子 2与管板1工件固定在电子束焊机的数控工作台上，数控工作台包括旋转台3和XY工作台4， 旋转台3位于XY工作台4上，管子2与管板1工件固定在旋转台3上，旋转台3圆心坐标记作 (x0，y0)，XY工作台4包括两个平行的X轨道和一个与X轨道垂直的Y轨道，Y轨道可沿X轨道移 动，保持待焊工作面的水平度； (4) 焊接在真空室内进行，抽取真空室内真空度至优于5 XHT3Pa,将电子束焊机高压 升至150KV，调节聚焦电流，调整焦点位置和SW值，根据待焊管子2位置，计算与旋转台3中心 的工作距离，此实施例的工作距离保持在1000 mrn左右； (5) 通过工作台，将待焊接的管子2与管板1工件移动至焊接焦点处； (6) 如图3和图4所示，当待焊接管子2的圆心坐标(xl，yl)与旋转台3圆心坐标(x0，y0) 不重合时，执行(6.1)-(6.3)，当待焊接管子2的圆心位于旋转台3圆心时，待焊接管子2的 圆心坐标记作(如，5^〇)，执行(6.4)-(6.6)； (6.1) 移动XY工作台4,使电子枪中心位于（xl+R+4，yl)位置处，R是管子2半径，R= 7.5mm； (6.2) 将电子枪束斑移至(xl+R，yl)位置，使电子枪倾斜并对准管子2外边沿且与管板1 连接处的焊缝位置(xl+R，yl); (6.3 )旋转台3匀速自转，由于待焊管子2绕旋转台3圆心(xO，yO)旋转，导致焊缝不能保 持在电子枪发射出的电子束打到的位置(xl+R，yl)，为使待焊接管子2保持原位而不以旋转 台3圆心(X〇，yO)旋转，需要移动XY工作台4的X轨道和Y轨道做匀速调整运动，来调整待焊管 子2与管板1连接处的焊缝始终保持在电子束打到的位置(xl+R，yl)并匀速自转，运动速度 为400mm/min，通过固定发射位置和方向的电子枪对转至(xl+R，yl)位置的待焊接管子2与 管板1的连接处进行焊接，焊接是先缓升起弧焊接90°，再平稳焊接360°，最后缓降收弧90° ; (6.4) 移动乂￥工作台4，使电子枪中心位于&0+1?+4,70)位置处； (6.5) 将电子枪发射端移至(X〇+R，yO)位置，使电子枪倾斜并对准管子2外边沿且与管 板1连接的待焊位置(x〇+R，y〇); (6.6 )旋转台3匀速自转，位于旋转台3圆心的待焊接管子2也匀速自转，通过固定发射 位置和方向的电子枪对匀速转至(x〇+R，y〇)位置的待焊接管子2与管板的连接处进行焊接； 焊接是先缓升起弧焊接90°，再平稳焊接360°，最后缓降收弧90° ; (7) 按上述方法依次对管板1件上各个管子2与管板1接缝处进行电子束焊接； (8) 完成焊接后，采用修饰焊接工艺沿相同的焊接路径对焊缝处进行散焦修饰，之后对 管板1焊缝处进行电子束盖面修饰，焦点修饰和盖面修饰的焊接速度是300mm/min; (9) 真空冷却lOmin，去真空并取出焊接完成的工件，整个焊接工作结束。
[0022] 本实施例中所使用的各个焊接参数均只对本实施例有效，并不影响本发明其他实 施方式。
[0023] 利用金相显微镜对上述焊接管板1接头组织进行分析，在焊接产品中进行水压试 验，结果表明可满足长期承压6MPa要求。
[0024] 本发明可实现绕任意一根管子中心旋转进行焊接，避免焊接时电子束被相邻管子 遮挡，实现了大批量、小间距管子与管板的可靠焊接。
【主权项】
1. 钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于，将用工装装配好的管 子与管板固定在电子束焊机的旋转台上，所述旋转台位于XY工作台上，该XY工作台包括相 互垂直的X轨道和Y轨道，待焊接管子的圆心坐标为(X1，y 1)，旋转台圆心坐标为(x〇，y〇)，首 先，移动XY工作台，使电子枪中心位于(xl+R+L，yl)位置处，然后，调整电子枪使其束斑移至 (X1+R，y 1 )，接着，在所述旋转台匀速自转的同时，调整XY工作台使旋转台沿X轨道和Y轨道 运动，以保持待焊接管子的圆心在(xl，yl)位置并匀速自转，通过固定发射位置和方向的电 子枪对转至(xl+R，yl)位置的待焊接管子与管板的连接处进行焊接，待焊接管子自转一周 即完成一根管子的焊接，其中，R是管子半径，1￡(〇，1〇，1^(1一21?，(1是相邻两个管子中心的 最小间距。2. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 当待焊接管子的圆心位于旋转台圆心时，xl= x〇，yl= y〇,旋转台沿X轨道和Y轨道的运动量 为零。3. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 所述电子枪对待焊接管子与管板连接处的焊接是先缓升起弧焊接90°，再平稳焊接360°，最 后缓降收弧90°，焊接速度是300~1000mm/min，电子束束流是2~15mA，电子枪发射端到管子 待焊处的工作距离是200~1000mm。4. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 在真空室内进行焊接，真空室的真空度优于5Xl(T 3Pa。5. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 在焊接前，将电子束焊机高压升至150kV。6. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 所述旋转台沿XY工作台的X轨道和Y轨道的运动速度是300~1000mm/min。7. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于，8. 根据权利要求1所述的钛合金换热器中管子与管板的电子束焊接方法，其特征在于， 焊接完后，采用修饰焊接工艺沿相同的焊接路径对焊缝处进行散焦修饰，之后对管板焊缝 处进行电子束盖面修饰，焦点修饰和盖面修饰的焊接速度是300~800mm/min。
【文档编号】B23K15/04GK105921872SQ201610396529
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】刘希林, 耿永亮, 熊进辉, 王莹, 郭立栋
【申请人】中国船舶重工集团公司第七二五研究所