CN102149499A - 使用熔深增强化合物的不对称热沉焊接 - Google Patents

Abstract

将管构件焊接到管板的方法包括：将所述管构件的开口端定位成邻近所述管板的第一侧且使得所述管构件延伸通过所述管板超过所述管板的第二侧。在邻近所述管构件的外侧和所述管板第二侧之间的接合部的部位处向所述管构件的内侧施加熔深增强化合物。在所述熔深增强化合物的部位处进行电弧焊接操作，从而实现在所述管构件外侧和所述管板第二侧之间的所述接合部处的焊接接头的形成。

Description

使用熔深增强化合物的不对称热沉焊接

技术领域

本发明涉及焊接方法，并且更具体地涉及焊接具有不对称热沉能力的两个部件。

背景技术

在用于工业过程的管式热交换器和其他容器中，管在管板之间延伸并且其端部固定于管板。一种流体填充管板之间的腔室并且围绕管的外侧，而另一种流体流动通过管，以便热量从较热流体传输通过管壁到达较冷流体。为了将管紧固于管板，已经研发出各种过程和设备。

在典型热交换器中，每个管延伸通过管板内的单独孔并且其端部边缘与管板的正面齐平。这里，二者被焊接在一起以便沿管的端部边缘存在焊缝。因为焊缝处于管板的正面，所以在管壁的外表面和管***其中的管板孔的周围表面之间存在小的环形缝隙。在一些应用中，具体地在管中循环的流体是液体的情况下，流体进入围绕管的缝隙。在液体是水的情况下，在两个部件形成缝隙的部分内，具体地在管板孔和管壁形成缝隙的部分内，会产生氯化物缝隙应力侵蚀，从而导致断裂以及随之在管和管板之间的泄漏。

已经提出了各种技术方案来解决与管板和管之间的缝隙有关的问题。美国专利No.4,221,263描述了一种技术方案，其包括将管焊接到管板的背面。这可以通过围绕每个管的周边从管的外部焊接来实现，这通常需要专门的弯曲电极来到达严密封装的管周围的受限空间。可替换地，可以从管的内部使用焊头到达管的开口端内部来进行焊接，从而形成必须完全穿透管壁的圆形焊缝。

沿管的长度在管延伸超过管板背面的部位附近的热沉能力的不对称性增加了从管的内部将管电弧焊接到管板的难度。具体而言，管延伸超过管板的部分与管在管板内部延伸的部分相比具有更小的热沉能力，从而证明了在没有穿过管的热熔化和在管内产生孔的情况下难以通过管向管板传导足量的热来产生焊缝。另一方面，如果施加较小能量以便不会熔化掉管，则能量不足以穿透管来产生焊缝连接。

发明内容

本发明提供在具有不对称热沉能力的部位处形成焊缝来联结两个部件的方法。

根据本发明的一个方面，提供用于在具有不对称热沉特征的部位处焊接两个构件的方法，该方法包括：将第一构件关联于第二构件，所述第二构件相对于所述第一构件限定第一区域和第二区域，所述第一区域具有比所述第二区域更大的热沉能力；所述第一构件具有焊接侧和接触侧，所述接触侧紧密关联于在所述第一区域内的所述第二构件的相邻表面；向邻近于所述第一区域和所述第二区域之间的接合部位的第一构件焊接侧施加熔深增强化合物；以及，通过从所述第一构件焊接侧进行电弧焊在所述熔深增强化合物处加热所述第一构件从而实现在所述第一构件接触侧和所述第二构件的所述相邻表面之间的焊接接头的形成。

根据本发明的另一方面，提供用于将管构件焊接到管板的方法，该方法包括：将管构件关联于通过管板的孔；该管构件具有焊接内侧和接触外侧，该外侧紧密关联于由所述管板内的所述孔所限定的相邻表面；向管构件内侧施加熔深增强化合物；以及，通过从管构件内侧进行电弧焊在熔深增强化合物处加热管构件从而实现在所述管构件外侧和所述管板的所述相邻表面之间的焊接接头的形成。

根据本发明的又一方面，提供用于将管构件焊接到管板的方法，该方法包括：所述管板具有第一侧和第二侧以及在第一和第二侧之间延伸的孔；所述管构件包括开口端并且具有焊接内侧和接触外侧；通过将管构件开口端定位成基本齐平于管板第一侧且管构件延伸通过管板超过所述第二侧从而将所述管构件关联于所述管板；在邻近于管构件外侧和管板第二侧之间的接合部的部位处向管构件内侧施加熔深增强化合物；将不可消耗电极通过管构件的开口端置于邻近于管构件外侧和管板第二侧之间的接合部的部位；以及，从管构件内侧通过使用电极进行电弧焊来加热管构件从而实现在所述管构件外侧和所述管板第二侧之间的接合部处的焊接接头的形成。

附图说明

虽然由权利要求限定的内容具体指出且明确要求了本发明，不过应该认为结合附图从下述描述中将更好地理解本发明，附图中同样的附图标记指代同样的元件，并且附图中：

图1是根据本发明的贯穿管板和管的一部分的横截面视图，其示出了准备用于焊接过程的管；

图2是示出了根据本发明通过焊接过程在管和管板之间形成的焊接接头的横截面视图；

图3是示出了根据本发明形成的且穿透模拟管到达模拟管板的焊缝的一部分的显微照片的横截面视图；

图4是示出了根据本发明通过焊接过程在管和内部套筒之间形成的焊接接头的横截面视图；以及

图5是根据本发明通过焊接过程在管和外部套筒之间形成的焊接接头的横截面视图。

具体实施方式

在优选实施例的下述具体描述中，参考形成了说明书一部分的附图，并且附图是通过图释的方式而不是通过限制性方式被示出的，其中示出了可以实践本发明的具体优选实施例。应该理解可以利用其他实施例并且在不背离本发明精神和范围的情况下可以进行修改。

参考图1，示出了用于热交换器的管板10和管12的一部分。管板10是平面板状构件，其通常被形成为具有多个相对紧密间隔的孔14。管板包括前侧或第一侧16和后侧或第二侧18，并且管12包括延伸经过第二侧18进入到管板14内到达底基本与第一侧16齐平的部位处的端部20。管板10可以形成热交换器（例如燃气轮机转子冷却空气锅炉）内相邻流体腔室22、24之间的壁。腔室22可以包括空气腔室，并且腔室24可以包括水腔室，并且管12延伸通过腔室24到达在管12的相对端处的另一管板（未示出）。空气从腔室22流动通过管12到达在管12的相对端处的类似腔室（未示出），并且腔室24内的水流过管12从而提供在空气和水之间的热交换。

在管12和管板10内的孔14之间形成缝隙26。根据本发明，理想的是提供在管板10和管12之间的接头，其刚性地将管12附连到管板10并且形成密封以防止水从腔室24流到缝隙26，因为流入缝隙26的水中的侵蚀物会潜在地导致在管板10和管12的微观结构中形成侵蚀和穿晶裂纹。具体而言，在热交换器中使用的水中的侵蚀物会导致氯化物缝隙应力侵蚀，其可以导致在管板10和管12之间产生泄漏。

由本发明提供的构造通过在接合部位28处形成焊接接头而防止水和相关侵蚀物进入缝隙26，其中在该接合部位28处管12在管板10的第二侧18处进入管板10。不过，如上所述，已经注意到当试图从管12的内部部分在该部位形成焊缝时现有技术中存在某些困难。具体地，虽然管板10包括用于从焊缝部位吸收并分配热量的实质性热沉，但是管12通常承受显著的局部加热，从而具有比管板10显著更小的热沉能力。例如，管板10可以包括具有在第一和第二侧16和18之间的厚度为0.75英寸至4.0英寸（19.1毫米至101.6毫米）的304L不锈钢板，并且管12可以包括类似于管板10的材料且具有1.0英寸（25.4毫米）的外直径和0.062英寸（1.6毫米）的壁厚。此外，虽然管板10的热沉能力可以有益于管12延伸通过第一和第二侧16、18之间的孔14的部分，但是管从接合部位28延伸出（即延伸到邻近于第二侧18的空气中）的部分将具备显著更小的热沉能力。

图1中示出了不同的热沉区域，其中第一或叠覆区域30包括管12邻近于第二侧18并且与管板10呈叠覆关系的部分，并且管板10作为被施加到在此部位的管12的内部的焊接能量的实质热沉来工作。相比之下，第二或暴露区域32包括管12从与管板10的接合部位28延伸出并且是暴露区域的部分，且围绕管12的空气作为相对弱的热沉。因此，沿管12限定了不对称的热沉界面，如接合部位28的任一侧上的不同（不对称）热沉特征所限定的。关于在此部位提供焊缝，横跨接合部位28进入到区域30和32中所限定的不对称热沉存在一个问题，即当提供足量的焊接能量来穿透管12桥接缝隙26并熔入管板10内时，管12的暴露区域32将不能稳定地消散掉热量，从而导致这个区域熔化并在管12内形成孔。如果焊接能量被减小以避免暴露区域32的熔化，则随着热量由叠覆区域30内的管板10消散将提供不足以穿透管12的壁厚的热量，并且不会形成焊缝或者不能形成质量可接受的焊缝。

本发明提供了用于在不对称热沉区域形成焊缝的方法，该不对称热沉区域例如在管板10和相关管12之间的上述接合部位28处。根据本发明的一个方面，管12可以被置于与管板10中的孔14关联，以便管12由端部20限定的开口端邻近于管板10的第一侧16，并且优选地基本齐平于第一侧16。管12延伸通过管板10并且从第二侧18处的接合部位28向外延伸。管12包括焊接内侧34和接触外侧36。管12的外侧36和管板10中的孔14的相邻表面38限定了缝隙26。

根据本发明的过程，熔深增强化合物（通常由40指代）在与所述管外侧36和所述管板第二侧18之间的接合部位28相邻的部位处被施加到管内侧34。该熔深增强化合物40被提供到管内侧34上的局部区域内，优选地沿围绕管内侧34的内圆周的预定环形区域。不可消耗的电极42位于通过管12的开口端20到达与管内侧34上的熔深增强化合物40相邻的位置，即位于与接合部位28相邻的位置。电焊能量被施加到电极42以便在电极42和管内侧34之间产生电弧，从而产生焊接热以便穿透管12到达接触侧36、跨过缝隙26并且进入管板相邻表面38内，从而在接合部位28处在管12和管板10之间形成焊接接头。

应该注意到，提供熔深增强化合物40的步骤可以在施加电弧焊接能量的步骤之前的任意时刻被执行。例如，可以在将管12放置成与管板10相关联之前向管12施加熔深增强化合物40。

电极42优选地被安装在可旋转或轨道电极支撑件44上。电极支撑件44可以绕与管12的纵向中心相对齐的中心轴线46旋转从而导致围绕管内侧34的内圆周形成焊缝48，如图2所示。电极34和电极支撑件44可以包括已知的焊接***，并且优选地包括TIG焊接***。例如，这样的焊接***可以包括可从加利福尼亚San Diego的AP Automation获得的TS 12-90型或者可以从德国Buseck的Orbimatic获得的P 20 Orbital Weld Head型。

熔深增强化合物40包括产生匙孔效应从而实质上有助于将焊接热聚集到管12上与接头部位28相邻的特定部位从而限制传播到暴露区域32的焊接热的量的焊剂。也就是说，熔深增强化合物40影响对于焊接热的引导以便穿透管12到达接触表面36从而向管板10相邻表面38提供的焊接热的程度大于提供到暴露区域32的焊接热。

认为运用熔深增强化合物40来改进熔深的机理的特征在于：a）熔化的焊剂使得焊接熔池表面张力系数随温度而增加，从而导致径向向内的对流循环并且导致最终更深的熔深（也被称作Marangoni效应）；b）焊接电弧由依附于包含例如氧气的焊剂蒸汽的电子来约束，从而导致更高的焊接电流密度和更深的熔深；c）焊剂通常减小焊接熔池表面张力并且由于电弧力而产生更大的焊接熔池下凹，从而导致更深的熔深；并且/或者d）焊剂起作用从而电绝缘所述表面并且阻挡电弧外部部分处的电流，从而导致更大的焊接电流密度（收缩）和更深的熔深。

熔深增强化合物40的特征可通常在于氧化物的混合物，并且可以是各种可商业获得的焊剂中的任意一种。可接受的焊剂的示例是：EWI CS-235、Liburdi Engineering Fi-600或NI-139、Swagelok SWS-Flux-1以及Paton Welding Institute PATIG S-A或PATIG N-A。

图3示出了可通过本过程形成的焊缝48的外观，其通过模拟所述管12的薄板和模拟所述管板10的厚板来模拟。可以看出，焊缝48延伸通过模拟管12并且进入模拟管板10的表面38中，形成与管12的外表面36间的角焊缝50。焊缝48消除了在管板10的第二侧18处的缝隙26并且因而阻止流体进入缝隙26。

在使用本方法的可替代过程中，套筒可以被焊接到管12，例如可以被实现为桥接管12内的缺陷。例如，套筒52（例如具有小于管12的直径的不锈钢套筒）可以被***到管12内，如图4所示。管12的外部沿其长度可以具有变化的热沉能力，这是因为变化的情况而产生的，例如周围的泥、周围的水、周围的挡板构件或者会影响热传递的其他情况。在这种情况下，熔深增强化合物可以被施加到套筒52的内表面或焊接表面53，例如围绕邻近于任一端54、56的内圆周。之后，焊接电极对齐于化合物的部位，并且熔深增强化合物有利于焊缝通过套筒52穿透到管12从而在套筒52的外表面55和管12的内表面34之间形成焊缝58、60。因此，可以根据使用熔深增强化合物40穿透套筒52的已知需求来设定提供给电极的焊接能量，并且可以避免与管12的未知热沉能力相关的问题。

参考图5，示出了图4所示结构的可替换构造，其中具有比管12更大直径的套筒62位于管12之上。在这个实施例中，套筒62的外表面或焊接表面64可以具有邻近于套筒62的任一端66、68围绕套筒62的熔深增强化合物。之后，焊接电极在套筒62的外表面64附近对齐于熔深增强化合物的部位从而在套筒62的内表面76和管12的外表面36之间形成焊缝70、72。

在图4和图5的实施例中，通过使用熔深增强化合物，基本避免或减少了由于管12和相应套筒52、62之间的不对称热沉情况而导致的焊缝的变化。具体而言，在焊缝部位在套筒52、62的侧面上提供熔深增强化合物有助于热量从焊接电弧通过套筒52、62的壁穿透到管12，而不考虑管12的热沉能力的变化。

应该注意到，虽然已经具体参考不锈钢部件的焊接描述了本发明，不过本发明的方法可以等同地应用于焊接其它材料。具体而言，本发明可以被用于有助于焊接由具有大热导性的材料和具有较大不同热导性的材料形成的部件。类似地，本发明的方法可以有助于接合当接触时具有可变热沉性质的部件。

此外，这里描述的方法可以被用于有助于焊接由于部件的不同厚度而导致的具有不对称热沉能力的部件。例如，在将薄金属板焊接到厚金属板的过程中，可能存在不对称热沉情况，具体地在薄板延伸超出厚材料板的边缘的地方。根据本发明的焊接操作可以通过如下步骤来实现，即邻近于且在薄板与面向且邻近厚材料板边缘的表面相对的表面上的薄材料板上提供一行熔深增强化合物。在熔深增强化合物的部位处提供焊接电弧将在厚材料板的边缘处产生焊接接头同时避免在延伸经过厚材料板边缘的薄材料板内形成孔。

还应该注意到，虽然具体参考TIG焊接过程描述了本发明的方法，不过该方法可以等同地应用于其它电弧焊接过程，并且可以被实施于激光焊接过程。此外，虽然对于本发明的优选实施例而言不是必须的，不过在焊缝部位可以包括填充材料以便进一步有助于焊接操作。

虽然已经图释并描述了本发明的具体实施例，不过对于本领域的技术人员而言显而易见的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出各种其它改变和改进。因此，所附权利要求试图涵盖落入本发明范围内的所有这样的改变和改进。

Claims (17)

1.一种在具有不对称热沉特征的部位处焊接两个构件的方法，该方法包括：

将第一构件关联于第二构件，所述第二构件相对于所述第一构件限定第一区域和第二区域，所述第一区域具有比所述第二区域更大的热沉能力；

所述第一构件具有焊接侧和接触侧，所述接触侧紧密关联于所述第一区域内的所述第二构件的相邻表面；

邻近于所述第一区域和所述第二区域之间的接合部位向所述第一构件焊接侧施加熔深增强化合物；以及

通过从所述第一构件焊接侧进行电弧焊接在所述熔深增强化合物处加热所述第一构件，从而实现在所述第一构件接触侧和所述第二构件的所述相邻表面之间形成焊接接头。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二构件比所述第一构件厚，从而为所述第二构件提供比所述第一构件更大的热沉质量。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二构件被设置成在所述第一区域内与所述第一构件呈叠覆关系，并且所述第一构件包括在所述第二区域内的所述第一构件的暴露表面，所述焊接接头被形成在所述第一和第二区域之间的所述接合部位处。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二构件包括具有第一侧和第二侧的管板，所述第一构件包括管构件，该管构件延伸到所述管板内经过所述管板第二侧处的所述接合部位并且具有位于所述管板第一侧处的开口端，所述焊接接头位于远离所述管构件的所述开口端的所述管板第二侧。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述焊接接头被形成为围绕所述管构件的周边。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述电弧焊接包括TIG焊接过程，其包括将不可消耗的电极***通过所述管构件的所述开口端到达邻近于所述熔深增强化合物的部位。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二构件包括管构件并且所述第一构件包括被定位成与所述管构件呈叠覆关系的管状套筒。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述管状套筒包括限定所述焊接侧的面向内侧的表面，并且所述管状套筒位于所述管构件内，并且所述熔深增强化合物被施加到所述管状套筒的所述面向内侧的表面。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述管状套筒包括限定所述焊接侧的面向外侧的表面，并且所述管状套筒被定位成围绕所述管构件，并且所述熔深增强化合物被施加到所述管状套筒的所述面向外侧的表面。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述电弧焊接包括TIG焊接过程。

11.一种将管构件焊接到锅炉管板的方法，所述方法包括：

将所述管构件关联于通过所述管板的孔；

所述管构件具有焊接内侧和接触外侧，所述外侧紧密关联于由所述管板内的所述孔所限定的相邻表面；

向所述管构件内侧施加熔深增强化合物；以及

通过从所述管构件内侧进行电弧焊接在所述熔深增强化合物处加热所述管构件，从而实现在所述管构件外侧和所述管板的所述相邻表面之间形成焊接接头。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述管板包括第一侧和第二侧，所述管构件包括定位成邻近于所述第一侧的开口端并且延伸通过所述管板经过所述第二侧，所述焊接接头位于所述管构件外侧和所述管板第二侧的接合部处。

13.如权利要求12的方法，其中所述焊接接头被形成为围绕所述管构件的周边。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述电弧焊接包括TIG焊接过程，其包括将不可消耗的电极***通过所述管构件的所述开口端到达邻近于所述熔深增强化合物的部位。

15.一种将管构件焊接到管板的方法，该方法包括：

所述管板具有第一侧和第二侧以及在所述第一和第二侧之间延伸的孔；

所述管构件包括开口端并且具有焊接内侧和接触外侧；

通过将所述管构件开口端定位成基本齐平于管板第一侧且使得所述管构件延伸通过所述管板经过所述第二侧，从而将所述管构件关联于所述管板；

在邻近于所述管构件外侧和所述管板第二侧之间的接合部的部位处向所述管构件内侧施加熔深增强化合物；

将不可消耗电极定位成通过所述管构件的所述开口端到达邻近于所述管构件外侧和所述管板第二侧之间的所述接合部的部位；以及

通过从所述管构件内侧使用所述电极进行电弧焊接来加热所述管构件，从而实现在所述管构件外侧和所述管板第二侧之间的所述接合部处形成焊接接头。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述管构件不在所述管板第一侧被焊接到所述管板。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述电弧焊接包括TIG焊接过程。

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