换热器制造中管-管板接头的遥控激光焊接外文翻译资料

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

换热器制造中管-管板接头的遥控激光焊接

E. V. Zemlyakova , K. D. Babkina , O. G. Klimovaa , G. A. Turichina and V. N. Elkinb

摘要：本文介绍了将先进高效的焊接工艺引入换热器制造生产周期系统中的调查和设计研究结果，确定了由不锈钢，钛和铜合金制成的管-管板接头的遥控激光焊接的最佳参数，开发了用于管-管板接头的激光焊专用设备。

关键词：遥控激光焊接；技术与设备；管板；换热器

概述

换热器设备(蒸汽发生器、冷凝器、蒸发器等)被应用于工业的许多领域，例如，核能和热力工程、石化、化工、食品工业以及造船工程。管壳式换热器是应用最广泛的换热器之一。

焊接工艺在换热器的生产周期中起着重要的作用。管-管板接头的焊接具有工作量大的特征，特别是在生产大型换热器系统中，需要将数千根管焊接到管板上。因此，对许多工业企业来说，将自动化焊接技术引入换热器系统的制造中是非常重要的。

目前，这一问题已通过全位置自动氩弧焊得到了解决。该焊接工艺可提高焊接速度，并可确保重复进行焊接过程，是手工电弧焊的有效替代。但同时氩弧焊也具有热输入量大的特点，这是导致焊接应变大而使工件装配复杂的可能原因之一。现有的全位置自动氩弧焊设备仅适用于最小半径受限的圆形截面管，不能用于其它截面或半径小于5毫米的圆形截面管。

先进高效的焊接技术的应用，特别是激光焊接技术，是工业生产中装配和焊接工艺的一个具有很大发展前景的方向。激光焊在换热器设备生产中已有应用范例。文献[6]中介绍了基于CO2激光的设备在液压成形换热器焊接中的应用，文献[7][8]中讨论了应用激光焊接修复核电站蒸汽发生器的可能性，这是主要是利用脉冲Nd:YAG激光器和几个专利技术进行的。然而，激光技术在这一领域的潜力还没有得到充分的发掘利用，有关提高焊接速度、建立控制和调节系统、提高焊接过程的质量和提高生产率的研究仍在进行。

本文中，作者介绍了对管-管板焊接接头应用激光遥控焊接工艺的研究结果。利用电流坐标扫描装置使激光相对于焊接接头的运动成为可能，从而实现可以焊接不同形状的管道。通过初步的计算机模拟，确定最佳工艺条件范围。对由不锈钢、钛和铜基合金制成的组件原型进行了全尺寸激光焊接试验，对产生的焊接接头采用金相分析方法进行了评估。还例举了激光焊接涡轮发电机定子绕组冷却元件、核动力系统换热器和船舶冷却系统的冷却元件的实际组件的实例。焊接试件通过了无损检测和水力试验。研究结果用于提出换热器设备或其它含有大量复杂几何形状接头的部件的激光焊接系统构建的一般概念。

实验过程

激光焊接过程仿真

激光焊接是一个复杂的多参数过程，因此，仅根据实验结果来确定工艺参数的“窗口”是一项复杂的任务，需要消耗大量材料并且十分耗时的。这一事实表明需要对激光焊接过程进行初步模拟，并开发新的技术解决方案。此外，计算机仿真还可用于系统模拟确定激光光源和聚焦光学参数、机械手定位速度和精度等具体技术要求。

初步的计算机模拟仿真是利用LaserCAD v. 4.0计算机工程分析系统进行的。这是个基于一个自洽数学模型的系统，该自洽数学模型是在描述以下过程的相关任务的联合求解的基础上构建的，包括在考虑气体动力学情况下的激光辐射与蒸汽等离子体射流的相互作用，在条约表面上的保护气体中金属蒸气混合物的光放电动力学，激光在蒸汽-气体通道中的吸收和反射，熔体在固相中的传热传质，以及金属蒸汽在蒸汽-气体通道中的蒸发和气体动力学。LaserCAD系统利用定义的参数来计算焊接接头的形状、热影响区的大小以及焊接接头各个区域的热循环，内置的优化程序确定状态参数，以产生所需的焊接接头特征。使用LaserCAD系统进行的仿真示例以及这些仿真结果与实验数据的对比结果如图1所示。

试验方案

这些研究是应用圣彼得堡理工大学激光与焊接技术研究所(ILWT)开发的遥控激光焊接设备进行的。激光辐射源为功率为5 kW的LS-5光纤激光器，冷却系统基于Riedel PC160制冷机，激光辐射通过光纤传输到intelliWELD 30 FC 3-D扫描系统，工作距离为500 mm，焦距为0.4 mm，该扫描仪可确保在185times; 185 mm²的工作区域内沿着给定轨迹精确地移动激光束，使用三坐标操纵器（线性驱动器系统）将扫描系统相对于组件定位。

实验程序是在分析初步计算机仿真结果的基础上开发的，激光焊接实验是在含有一个或多个管板接头的试件上进行的。管板材质为PT-3V钛合金，管体材质为PT-7N钛合金。合金的化学成分如表1所示。

在装配用于焊接的试样时，相对于管板表面的管子延伸量在1-1.5 mm范围内变化。

激光辐射功率和焊接速度分别为1-3.5 kW和1.5-5 m/min的范围内变化，还准备了焊接焊口改变激光辐射功率的算法程序。焊接在氩气中进行，氩气是通过一个带有气体透镜的非同轴喷嘴进行供给。

采用高速成膜技术研究形成的焊缝表面的稳定性。图2为高速膜架和管-管板接头激光焊接过程图。

采用金相分析对焊接接头的样品进行研究,包括焊接接头的几何形状的确定,根据GOST R ISO 6509 - 1.2007标准分析宏观结构和显微硬度的焊缝金属和热影响区,并目视检查缺陷。

用激光焊接方法制作的钛制换热器的原型如图3所示。

焊接接头的外观和没有回火颜色表明给定的气体保护系统具有足够高的效率。采用一种控制激光辐射功率水平的特定算法对焊口进行焊接，使激光辐射功率在焊接接头开始和末端平稳变化。

实验结果与讨论

金相分析和显微硬度分布

钛合金管-管板焊接接头的金相分析结果和通过扫描电镜对焊缝金属化学成分的研究结果见图4和图5。

焊接接头的形状具有激光焊接的典型特点，焊缝窄，穿透深。所有的试样包含一个狭窄的热影响区(最大300mu;m)，焊接时管子的内表面没有熔化。部分试样在整个厚度范围内出现管端部分熔化，但未导致形成过量金属而降低管的有效截面。焊接接头试样里未发现不合格的焊接接头(大气孔、裂纹)，一些试样中含有少量大小不超过50mu;m的孔。

焊接接头金属的微观结构分析表明，PT-3V合金中的热影响区区域含有少量的马氏体，而大部分的含alpha;相的试样板，它们之间的beta;相夹杂物很小。焊缝金属具有典型的钛马氏体的针状结构。管金属的微观结构没有改变,由细小的等轴alpha;相晶粒组成。焊缝中存在马氏体组织，说明焊缝金属硬度较高。焊接接头金属微硬度分布如图5所示。

激光焊接组件试样

除先前描述的钛换热器原型的激光焊接实验外，ILWT还焊接了船舶换热器（材料为铜合金）,涡轮式发电机定子绕组的冷却棒部分(材料为不锈钢)和用于干燥离子交换树脂的加热元件外壳(材料为不锈钢)(图6)。这些试样均成功通过了无损检测。

设备的开发

ILWT开发的激光系统采用模块化设计，具有统一的零件，零件的兼容性，大大缩短了开发时间，降低了设备制造成本，满足了客户的需求。按照这种方法,每台设备由激光源(当使用混合动力技术时，还有一个弧电源),焊接工具,机械及配件,控制系统,准备和分配工作气体的系统,跟踪系统，定位焊接工具的系统和监控系统组成。单个模块通过一个通用的控制接口、标准的机械接口和气体、液压和电气连接组合在一个单独的综合体中。在管-管板激光焊接系统的设计中也采用了类似的方法。设备控制系统是基于程序仪器综合体(PAC)的分布式计算控制系统，从而实现对系统各组成部分的控制功能。控制系统实现:识别接头的几何形状,控制焊接装配组件的质量,开发程序的控制扫描仪的操作和位移系统,控制激光辐射源,工作气体供应的控制,焊接工艺参数的控制和记录参数,防止不可接受的操作条件子系统的复杂的焊接接头的质量和控制用传感器的监测系统。

根据实际任务，PAC适当合并了子系统，它们使用高度可靠的CAN网络协议，组合在一个单独的控制系统中，任何工业机械手都可以用来定位焊接工具相对于组件的位置。

根据TsTSS公司的订单，ILWT开发了一个用于解决船舶工程问题的自动化系统。

结论

1. 激光焊在换热器制造中的应用，提高了管-管板焊接接头的质量和焊接 生产效率。
2. 局部加热，焊接速度快，是激光焊接技术的典型特点，降低了热应变和残余应力水平。
3. 构建的激光遥控焊接系统具有换热器设备焊接过程自动化程度高的特点。

根据换热器制造中管-管板接头定制的激光焊接接头

（节选）

A. Vandewynckeacute;lea,*, E. Vaamondea , M. Fontaacute;na , P. Herwigb , A. Masciolettic*

摘要：目前换热器中的管对管板接头是通过环形TIG工艺焊接的，其特点是焊珠质量非常高，重复性好。然而，由于焊缝数量多，减少焊接周期时间将对制造成本和延误具有研究意义，激光焊接技术旨在改善这一因素。激光焊的主要缺点是激光焊接工艺所需的定位精度，因为与实际接头的光束偏差会导致熔深不足。 可以预期，在欧洲ORBITAL项目下开发的轨道激光焊接头将避免这种缺陷。

关键词：激光焊；全位置焊接；焊接接头设计

概述

管壳式换热器目前广泛用于发电，化工，石化和航运等工业领域。欧洲的管壳式换热器市场正处于激烈的竞争阶段，这对国内公司的利润率产生了不利影响。外国供应商包括来自韩国，中国和印度等国家的供应商，这些来自欧洲以外的低成本换热器供应商一直在加剧激烈的价格战。金属价格上涨和能源成本上涨也直接影响了欧洲换热器制造商的利润。尽管公司正在制定策略来维持市场，但预计价格压力在未来仍会持续。

换热器制造生产率的提高将振兴管壳式换热器市场。确实，焊接过程中减少生产周期时间在减少交货时间的方面起着重要作用，尤其是在管壳式换热器中，因为在管壳式换热器中需要成千上万的管-管板焊接接头。在上世纪八十年代全位置焊接是在管-管板接头的工业领域引入的主要改进工艺之一。 由于焊缝质量高并可确保重复进行焊接，该工艺已在不同的行业中得到了认可。全位置焊接是手动电弧焊的替代工艺，因为它提高了焊接速度并可确保重复进行焊接过程。即使这样，焊接过程的周期仍然很长，通常约为四十秒。

激光焊接技术在换热器制造行业中是非常未知的，在该工业领域中，激光焊接的应用很少。其中之一是由Omega Engineering B.V开发的用于焊接管板以制造液压成形换热器的应用程序。关于管壳式换热器，W.J. Han等人（2001年）和J.D. Kim等人（2001年）开发了一些利用套管技术来修复核蒸汽发生器换热器的管子的激光焊接工艺。 这些工艺的应用，使用了脉冲Nd：YAG激光，并且开发了用于激光套管的不同激光焊接头并获得了专利。然而，正如R. Arias等人（2010年）所证明的那样，在换热器和蒸汽发生器的制造中引入用于管-管板接头的激光焊接可以在制造过程中带来一些改进，例如提高焊接速度，减少生产时间。 此外，由于要进行大量的焊接，因此每次操作之间的时间是关键。工艺的自动化，包括使用激光焊接技术，可以减少焊接操作之间的时间，另一方面，能量集中是激光焊接的主要特征之一，可以在0.2-0.6mm的光斑尺寸上获得高能量密度，从而得到狭窄的熔合区和需要的输入热量低，因此可以减少返工操作，从而降低返工，维护和维修焊接零件的成本，最终缩短生产周期，进而提高生产率。

激光焊接工艺所需的定位精度是激光的能量集中引起的主要缺点之一。为了得到关于管-管板接头的激光束定位精度的可靠解决方案，欧洲ORBITAL项目开发了一种轨道激光焊接接头。由于在需要轨道焊接的工业应用中实施激光焊接工艺的利益，ORBITAL项目（轨道激光焊接头的设计，开发和评估）于2011年1月启动。

ORBITAL系统包括一个新的激光焊接头，该焊接头适合于轨道焊接工艺的特定要求，并专门用于换热器制造中的管-管板接头。开发该系统是为了改善提高激光焊接过程的特征：高速焊接，实时控制，易于实现自动化，数据传递，准确性。

由于换热器尺寸精度要求高，换热器在大型工厂中进行制造，但在大型工厂中，制造过程或操纵工件过程中产生的振动非常普遍。ORBITAL系统将避免可能影响激光焊接过程的振动问题。

本文介绍了ORBITAL原型系统和验证试验的第一批结果。

结果与讨论

实验室试验允许验证原型的概念设计。在对原型进行精调之后，系统的基本性能得到了证明：以待焊管为中心的高精度圆周焊接，激光功率测量证实了接头处有低功率损失，也成功地测试了速度和激光功率的变化。最后，验证了最大焊接速度为5 m/min。试验性能如图6所示。图6 a）显示了样品测试中激光焊接过程的图像，图6 b）显示了一些激光焊接接头。

在实验室试验之后进行的焊接试验可以验证原型功能。在保持激光功率在2 kW，并调节焊接速度的情况下，可获得管子厚度完全熔合或部分熔合的焊缝。图7显示了在镍合金的管-管板接头（接头1）上获得的两个横截面。图7a）使用2 kW的激光功率以焊接速度2 m/min进行焊接，穿透深度达到1.3mm。图7 b）使用相同的激光功率焊接，但焊接速度较低：1.5 m/min，在这种情况下，穿透深度达到了1.6 mm。在这两种情况下，都用氦气作保护气体，流速

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[234405]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word