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1背景

激光焊接換熱板是先進制造技術與新型結構相結合的產物，廣泛應用于輕工、化工、食品等行業，常用結構類型分為板殼式、蜂窩夾套式、管板式、膠囊式、流道式、預制成型式，其中，蜂窩夾套具有高效傳熱效果，在石油、化工、制藥以及食品行業中得到廣泛的應用，如圖1.1所示。蜂窩夾套式換熱板為上下板疊焊結構、工件幅面大、焊縫密集、焊縫數量多、焊接強度要求高等特點。由于焊縫數量多且密集，焊縫軌跡圖形如圖1.2所示（局部），焊接過程耗時長，對焊接過程的穩定性要求極高，焊接過程中若出現問題，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備

大族光子6000W連續光纖激光器具有光電轉換效率高、調制頻率范圍寬、抗高反能力強、穩定可靠性高、加工效果好和免維護運行等突出優勢，廣泛應用于切割、切管、焊接、表面處理、3D打印、清洗等工業加工領域，在大幅面換熱板行業已實現批量應用，配合自動化機床實現高質高效加工，激光器參數見表2.1。

圖2.1 大族光子6000W激光器

圖2.2 焊接機床

表2.1 大族光子6000W激光器技術參數

3 大幅面換熱板激光焊主要難點

激光焊接具有速度快、深度大、變形小的特點，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，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量和焊接穩定性，對于大幅面換熱板，如長度10米，寬度2米，焊縫總數量可達1萬個以上，必須焊好每一條焊縫，才能保證整板焊接質量，同時，如何避免焊縫氧化，達到良好保護，是實現高品質焊接的重要方面。為達到良好的保護效果，需兼顧兩方面，一是需要對熔池位置進行保護，二是需要對離開熔池的高溫焊縫繼續施加保護氣體，即焊縫延時保護。因此，實現大幅面換熱板高穩定性、高品質焊接的關鍵在于金屬蒸氣擴散和焊縫全保護控制。

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 同軸氣流裝置設計

氣流保護對焊接質量具有重要影響，良好的氣體保護不僅可以減少焊縫缺陷，還可提高焊接過程的穩定性。本文針對換熱板焊接設計專用氣流裝置并借助ansys軟件進行氣流分析，通過優化的結構設計，擬達到三個方面的效果，一是改善金屬蒸氣擴散效果，減少工件表面污染，保證焊縫成形的均勻性；二是進行焊縫全保護，實現高品質焊接；三是氣流裝置具有良好的耐用性。

4.1 裝置結構

同軸氣流裝置整體結構如圖4.1所示，裝置結構主要包括氣腔環、噴氣板、導向塊、氣簾蓋板、進氣嘴及安裝支架。

圖4.1 同軸氣流裝置結構

4.2 應用原理

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

4.3氣流分析

為了更為直觀的了解同軸氣流裝置內部的氣流狀態，采用ansys軟件對裝置進行氣流分析，主要考察指標為氣體流向及保護氣組分分布情況，結合實際應用情況，計算時氣體種類為氮氣，保護氣壓力設置為0.4 MPa，裝置下端離工件板面高度設置為4 mm，進氣口直徑按2.5 mm進行計算。計算模型如圖4.2所示，計算結果如圖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散，焊接過程中產生的金屬蒸氣亦可隨保護氣流聚攏后向上擴散，可避免在工件板面沉積形成污染。

圖4.3 保護氣流速度流動跡線

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

圖4.4 保護氣流組分云圖

5 焊接應用測試

將同軸氣流裝置安裝至焊接設備上，結合工藝參數優化，進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。

工件焊接完成后進行打壓鼓脹成形，鼓脹高度達標，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 工藝優化前后焊縫對比

圖5.3 打壓鼓脹成形效果

6 結論

通過采用大族光子6000W連續光纖激光器，結合同軸氣流裝置并進行工藝優化，可實現大幅面換熱板高質量焊接，整板焊后干凈整潔，焊縫表面光亮無氧化、強度高，滿足客戶加工要求。