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1背景

激光焊接換熱板是先進(jìn)制造技術(shù)與新型結(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于輕工、化工、食品等行業(yè)，常用結(jié)構(gòu)類型分為板殼式、蜂窩夾套式、管板式、膠囊式、流道式、預(yù)制成型式，其中，蜂窩夾套具有高效傳熱效果，在石油、化工、制藥以及食品行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如圖1.1所示。蜂窩夾套式換熱板為上下板疊焊結(jié)構(gòu)、工件幅面大、焊縫密集、焊縫數(shù)量多、焊接強(qiáng)度要求高等特點(diǎn)。由于焊縫數(shù)量多且密集，焊縫軌跡圖形如圖1.2所示（局部），焊接過程耗時長，對焊接過程的穩(wěn)定性要求極高，焊接過程中若出現(xiàn)問題，極有可能造成工件報廢。同時，換熱板激光焊要求焊縫保護(hù)效果良好，焊縫成形平滑光亮、無氧化。本文研究提高換熱板焊接效果和焊接過程穩(wěn)定性的工藝方法。

圖1.1換熱容器

圖1.2焊縫軌跡圖形（局部）

2 大幅面換熱板激光焊接設(shè)備

大族光子6000W連續(xù)光纖激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)制頻率范圍寬、抗高反能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠性高、加工效果好和免維護(hù)運(yùn)行等突出優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于切割、切管、焊接、表面處理、3D打印、清洗等工業(yè)加工領(lǐng)域，在大幅面換熱板行業(yè)已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，配合自動化機(jī)床實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效加工，激光器參數(shù)見表2.1。

圖2.1 大族光子6000W激光器

圖2.2 焊接機(jī)床

表2.1 大族光子6000W激光器技術(shù)參數(shù)

3 大幅面換熱板激光焊主要難點(diǎn)

激光焊接具有速度快、深度大、變形小的特點(diǎn)，但在激光深熔焊過程中，高能量密度的激光束作用于金屬材料時，材料不僅熔化，而且氣化，在熔池上方形成金屬蒸氣，對激光束具有干擾作用，如圖3.1所示，若處理不當(dāng)，金屬蒸氣將沉積附著于工件表面，對工件表面形成明顯污染，同時帶來焊接飛濺和咬邊等焊接缺陷，如圖3.2所示。換熱板焊縫密集，金屬蒸氣污染將影響相鄰焊縫的焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性，對于大幅面換熱板，如長度10米，寬度2米，焊縫總數(shù)量可達(dá)1萬個以上，必須焊好每一條焊縫，才能保證整板焊接質(zhì)量，同時，如何避免焊縫氧化，達(dá)到良好保護(hù)，是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)焊接的重要方面。為達(dá)到良好的保護(hù)效果，需兼顧兩方面，一是需要對熔池位置進(jìn)行保護(hù)，二是需要對離開熔池的高溫焊縫繼續(xù)施加保護(hù)氣體，即焊縫延時保護(hù)。因此，實(shí)現(xiàn)大幅面換熱板高穩(wěn)定性、高品質(zhì)焊接的關(guān)鍵在于金屬蒸氣擴(kuò)散和焊縫全保護(hù)控制。

圖3.1 光纖激光焊接金屬蒸氣

圖3.2 焊接污染、飛濺及氧化

4 同軸氣流裝置設(shè)計(jì)

氣流保護(hù)對焊接質(zhì)量具有重要影響，良好的氣體保護(hù)不僅可以減少焊縫缺陷，還可提高焊接過程的穩(wěn)定性。本文針對換熱板焊接設(shè)計(jì)專用氣流裝置并借助ansys軟件進(jìn)行氣流分析，通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擬達(dá)到三個方面的效果，一是改善金屬蒸氣擴(kuò)散效果，減少工件表面污染，保證焊縫成形的均勻性；二是進(jìn)行焊縫全保護(hù)，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)焊接；三是氣流裝置具有良好的耐用性。

4.1 裝置結(jié)構(gòu)

同軸氣流裝置整體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，裝置結(jié)構(gòu)主要包括氣腔環(huán)、噴氣板、導(dǎo)向塊、氣簾蓋板、進(jìn)氣嘴及安裝支架。

圖4.1 同軸氣流裝置結(jié)構(gòu)

4.2 應(yīng)用原理

同軸氣流裝置與激光束同軸安裝并位于工件板面上方，為獲得較好的應(yīng)用效果，同軸氣流裝置與工件板面之間的高度可設(shè)置為4 mm，高度過大則保護(hù)效果差，高度過小則易造成碰撞干涉。氣簾進(jìn)氣嘴通入壓縮空氣，經(jīng)橫吹流道向外噴射形成橫吹氣流；保護(hù)氣進(jìn)氣嘴通入焊接保護(hù)氣，通過噴氣板噴出形成多路氣流，包括攏煙氣流、下排空氣流、內(nèi)排空氣和擴(kuò)張氣流，多氣流共同作用進(jìn)行金屬蒸氣控制及焊縫保護(hù)。

4.3氣流分析

為了更為直觀的了解同軸氣流裝置內(nèi)部的氣流狀態(tài)，采用ansys軟件對裝置進(jìn)行氣流分析，主要考察指標(biāo)為氣體流向及保護(hù)氣組分分布情況，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，計(jì)算時氣體種類為氮?dú)?，保護(hù)氣壓力設(shè)置為0.4 MPa，裝置下端離工件板面高度設(shè)置為4 mm，進(jìn)氣口直徑按2.5 mm進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型如圖4.2所示，計(jì)算結(jié)果如圖4.3和圖4.4所示。

圖4.2 同軸氣流裝置氣流分析模型

圖4.3所示為保護(hù)氣流流動軌跡線，從圖中可以看到，在中部熔池位置，氣流向中間聚攏，并沿激光通道向上擴(kuò)散，焊接過程中產(chǎn)生的金屬蒸氣亦可隨保護(hù)氣流聚攏后向上擴(kuò)散，可避免在工件板面沉積形成污染。

圖4.3 保護(hù)氣流速度流動跡線

圖4.4所示為保護(hù)氣流組分云圖，從圖中可以看到，裝置內(nèi)部保護(hù)氣濃度良好，中部通孔（激光通道）處也未見外界空氣卷入，保護(hù)氣向裝置外擴(kuò)散形成較大高濃度保護(hù)氣區(qū)域，可對焊縫形成良好的保護(hù)效果。

圖4.4 保護(hù)氣流組分云圖

5 焊接應(yīng)用測試

將同軸氣流裝置安裝至焊接設(shè)備上，結(jié)合工藝參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)行大幅面不銹鋼換熱板焊接效果測試，上板厚度為1.2 mm，下板厚度為1.2 mm，幅面尺寸為9 m x 2 m，整體焊接效果如圖5.1所示，焊接效果良好。焊縫位置周邊未見明顯黑煙附著，整板焊后干凈整潔，焊縫表面光亮無氧化，如圖5.2所示。氣流裝置最下端噴氣板采用紫銅加工，整板焊接完成后表面無損傷，氣孔無堵塞，耐用性良好。

工件焊接完成后進(jìn)行打壓鼓脹成形，鼓脹高度達(dá)標(biāo)，焊縫無脫落，效果如圖5.3所示，滿足加工要求。

圖5.1 整板焊接效果

圖5.2 工藝優(yōu)化前后焊縫對比

圖5.3 打壓鼓脹成形效果

6 結(jié)論

通過采用大族光子6000W連續(xù)光纖激光器，結(jié)合同軸氣流裝置并進(jìn)行工藝優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)大幅面換熱板高質(zhì)量焊接，整板焊后干凈整潔，焊縫表面光亮無氧化、強(qiáng)度高，滿足客戶加工要求。