1背景

激光焊接换热板是先进制造技术与新型结构相结合的产物，广泛应用于轻工、化工、食品等行业，常用结构类型分为板壳式、蜂窝夹套式、管板式、胶囊式、流道式、预制成型式，其中，蜂窝夹套具有高效传热效果，在石油、化工、制药以及食品行业中得到广泛的应用，如图1.1所示。蜂窝夹套式换热板为上下板叠焊结构、工件幅面大、焊缝密集、焊缝数量多、焊接强度要求高等特点。由于焊缝数量多且密集，焊缝轨迹图形如图1.2所示（局部），焊接过程耗时长，对焊接过程的稳定性要求极高，焊接过程中若出现问题，极有可能造成工件报废。同时，换热板激光焊要求焊缝保护效果良好，焊缝成形平滑光亮、无氧化。本文研究提高换热板焊接效果和焊接过程稳定性的工艺方法。

图1.1换热容器

图1.2焊缝轨迹图形（局部）

2 大幅面换热板激光焊接设备

大族光子6000W连续光纤激光器具有光电转换效率高、调制频率范围宽、抗高反能力强、稳定可靠性高、加工效果好和免维护运行等突出优势，广泛应用于切割、切管、焊接、表面处理、3D打印、清洗等工业加工领域，在大幅面换热板行业已实现批量应用，配合自动化机床实现高质高效加工，激光器参数见表2.1。

图2.1 大族光子6000W激光器

图2.2 焊接机床

表2.1 大族光子6000W激光器技术参数

3 大幅面换热板激光焊主要难点

激光焊接具有速度快、深度大、变形小的特点，但在激光深熔焊过程中，高能量密度的激光束作用于金属材料时，材料不仅熔化，而且气化，在熔池上方形成金属蒸气，对激光束具有干扰作用，如图3.1所示，若处理不当，金属蒸气将沉积附着于工件表面，对工件表面形成明显污染，同时带来焊接飞溅和咬边等焊接缺陷，如图3.2所示。换热板焊缝密集，金属蒸气污染将影响相邻焊缝的焊接质量和焊接稳定性，对于大幅面换热板，如长度10米，宽度2米，焊缝总数量可达1万个以上，必须焊好每一条焊缝，才能保证整板焊接质量，同时，如何避免焊缝氧化，达到良好保护，是实现高品质焊接的重要方面。为达到良好的保护效果，需兼顾两方面，一是需要对熔池位置进行保护，二是需要对离开熔池的高温焊缝继续施加保护气体，即焊缝延时保护。因此，实现大幅面换热板高稳定性、高品质焊接的关键在于金属蒸气扩散和焊缝全保护控制。

图3.1 光纤激光焊接金属蒸气

图3.2 焊接污染、飞溅及氧化

4 同轴气流装置设计

气流保护对焊接质量具有重要影响，良好的气体保护不仅可以减少焊缝缺陷，还可提高焊接过程的稳定性。本文针对换热板焊接设计专用气流装置并借助ansys软件进行气流分析，通过优化的结构设计，拟达到三个方面的效果，一是改善金属蒸气扩散效果，减少工件表面污染，保证焊缝成形的均匀性；二是进行焊缝全保护，实现高品质焊接；三是气流装置具有良好的耐用性。

4.1 装置结构

同轴气流装置整体结构如图4.1所示，装置结构主要包括气腔环、喷气板、导向块、气帘盖板、进气嘴及安装支架。

图4.1 同轴气流装置结构

4.2 应用原理

同轴气流装置与激光束同轴安装并位于工件板面上方，为获得较好的应用效果，同轴气流装置与工件板面之间的高度可设置为4 mm，高度过大则保护效果差，高度过小则易造成碰撞干涉。气帘进气嘴通入压缩空气，经横吹流道向外喷射形成横吹气流；保护气进气嘴通入焊接保护气，通过喷气板喷出形成多路气流，包括拢烟气流、下排空气流、内排空气和扩张气流，多气流共同作用进行金属蒸气控制及焊缝保护。

4.3气流分析

为了更为直观的了解同轴气流装置内部的气流状态，采用ansys软件对装置进行气流分析，主要考察指标为气体流向及保护气组分分布情况，结合实际应用情况，计算时气体种类为氮气，保护气压力设置为0.4 MPa，装置下端离工件板面高度设置为4 mm，进气口直径按2.5 mm进行计算。计算模型如图4.2所示，计算结果如图4.3和图4.4所示。

图4.2 同轴气流装置气流分析模型

图4.3所示为保护气流流动轨迹线，从图中可以看到，在中部熔池位置，气流向中间聚拢，并沿激光通道向上扩散，焊接过程中产生的金属蒸气亦可随保护气流聚拢后向上扩散，可避免在工件板面沉积形成污染。

图4.3 保护气流速度流动迹线

图4.4所示为保护气流组分云图，从图中可以看到，装置内部保护气浓度良好，中部通孔（激光通道）处也未见外界空气卷入，保护气向装置外扩散形成较大高浓度保护气区域，可对焊缝形成良好的保护效果。

图4.4 保护气流组分云图

5 焊接应用测试

将同轴气流装置安装至焊接设备上，结合工艺参数优化，进行大幅面不锈钢换热板焊接效果测试，上板厚度为1.2 mm，下板厚度为1.2 mm，幅面尺寸为9 m x 2 m，整体焊接效果如图5.1所示，焊接效果良好。焊缝位置周边未见明显黑烟附着，整板焊后干净整洁，焊缝表面光亮无氧化，如图5.2所示。气流装置最下端喷气板采用紫铜加工，整板焊接完成后表面无损伤，气孔无堵塞，耐用性良好。

工件焊接完成后进行打压鼓胀成形，鼓胀高度达标，焊缝无脱落，效果如图5.3所示，满足加工要求。

图5.1 整板焊接效果

图5.2 工艺优化前后焊缝对比

图5.3 打压鼓胀成形效果

6 结论

通过采用大族光子6000W连续光纤激光器，结合同轴气流装置并进行工艺优化，可实现大幅面换热板高质量焊接，整板焊后干净整洁，焊缝表面光亮无氧化、强度高，满足客户加工要求。