激光焊接技術(shù)在板式換熱器行業(yè)的應(yīng)用

關(guān)德軍 陳延蕊

山東旺泰科技有限公司 山東淄博 255130

工業(yè)生產(chǎn)者中，板式換熱器屬于常用熱交換設(shè)備，密封效果對換熱器使用壽命產(chǎn)生了影響。傳統(tǒng)膠墊密封相容性差，其中存在腐蝕介質(zhì)。激光焊接性能好，形變小、密封好，采用激光焊接板式換熱器板片效果較好，焊接過程更可靠高效，通過科學(xué)的激光焊接技術(shù)可以有效密封板式換熱器板片，對于板式換熱器的質(zhì)量具有重要作用。

1 板式換熱器和焊接技術(shù)概述

1.1 板式換熱器

板式換熱器是由波紋狀金屬片疊加構(gòu)成的一種新型換熱器，其通過板片所建立的矩形通道交換熱量。板式換熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器不同，二者在同一流動阻力以及泵功率損耗情況下，前者具有更好的傳熱效率。板式換熱器主要分為框架式、釬焊式這兩種，板片形式為人字形波紋狀、水平直波紋狀、瘤形狀這三類，廣泛應(yīng)用在制冷、化學(xué)、冶金、電力、防止、供熱、造紙等行業(yè)，逐漸開始取代管殼式換熱器的應(yīng)用[1]。

板式換熱器板片采用的橡膠墊片密封形式，這種密封圈密封形式介質(zhì)溫度不可超過250℃，工作壓力通常不可高于2.5MPa，否則會出現(xiàn)泄露。在非侵蝕性環(huán)境中，采用密封墊圈密封能夠符合產(chǎn)品使用要求，在侵蝕環(huán)境中，墊圈極易被介質(zhì)侵蝕而出現(xiàn)侵蝕老化現(xiàn)象失效，為了能夠保證產(chǎn)品可靠，當(dāng)前一般通過焊接實現(xiàn)密封。此外，板式換熱器板片由于是由不銹鋼等材料壓制形成的，板片表面加工會形成不同波紋，該設(shè)計能夠在板片間讓介質(zhì)構(gòu)成湍流，提高換熱效果，也能夠提高板片剛度，防止受壓變形，在板片被夾緊力比較大時，板片會出現(xiàn)塑性變形，進而使板片失效。

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

1.2 焊接技術(shù)

1.2.1 傳統(tǒng)焊接技術(shù)

板式換熱器板片所用材料多為304、316L、2205、鎳基合金、工業(yè)純鈦等，以上材料只具有基本的沖壓性和可焊性，可以用于制作板片元件，厚度在0.4-1mm范圍內(nèi)，焊接結(jié)構(gòu)通常采用的是疊焊方式。根據(jù)常規(guī)要求一般采用氣焊、氬弧焊、微束等離子焊接方式，而氣焊成本比較低，但是焊縫的耐腐蝕性差，無法滿足生產(chǎn)要求，只能夠在無腐蝕情況下應(yīng)用，而其他離子焊接的焊縫質(zhì)量比較好，符合工藝要求，但是成本比較高，操作復(fù)雜，氬弧焊的焊縫質(zhì)量也比較好，成本也比較低，是板式換熱器的常用焊接方式。但是，氬弧焊的熱輸入量比較大，容易氧化，導(dǎo)致焊縫焊接完成后的耐腐蝕性下降，由于采用的是薄板不銹鋼，因此焊接式容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象[2]。

1.2.2 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)利用激光束融化材料實現(xiàn)材料焊接。現(xiàn)階段的激光焊接技術(shù)主要是利用偏光鏡對激光進行反射，進而產(chǎn)生大量能量光束，在照射材料時，可以將光能轉(zhuǎn)化熱能來融化材料，起到焊接作用。激光焊接分為熱導(dǎo)焊、深熔焊，其中，熱導(dǎo)焊是將激光輻射到材料表面，熱量從外部逐漸擴大到內(nèi)部來融化材料，此時焊接材料連接處也隨之形成熔池，再將激光移動開就能夠使金屬材料熔融凝固，進而構(gòu)成了焊縫。在進行深熔焊時，因為功率大，材料表面氣化構(gòu)成了小孔，從小孔穿入的激光束，而光束移動，金屬材料熔融充填了整個空腔，在冷卻之后構(gòu)成了焊縫，迅速完成了整個焊接過程[3]。

激光焊接優(yōu)勢最大在于焊接之后工件并未有變形現(xiàn)象，連接間隙相對于普通焊接而言也很小，能夠大幅度提高加工精確度。同時，激光焊接能夠根據(jù)要求調(diào)節(jié)激光焦點功率，應(yīng)用范圍比較廣泛，也能夠從空間上將能量源與加工設(shè)備分隔開，采用細(xì)光纖傳輸，人工成本也更低，材料利用率比較高，同時也能夠節(jié)省空間占用面積，未磨損激光束，能夠長期使用。激光焊接應(yīng)用廣泛，可以應(yīng)用好普通焊接材料，且加工速度比較快，產(chǎn)生的污染很少，能夠迅速對接機器人實現(xiàn)自動焊接。

2 板式換熱器中激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

2.1 影響因素

激光利用誘導(dǎo)增幅光能，通過強光照射激光發(fā)生介質(zhì)，使介質(zhì)內(nèi)的原子電子得到能量，在激光下發(fā)生運動遷移，從低能轉(zhuǎn)化成高能。激光焊接通過高能激光束局部解熱材料，而激光所敷設(shè)的能力從熱傳導(dǎo)擴散到材料內(nèi)部，使材料融化后形成熔池進而實現(xiàn)焊接目標(biāo)。激光焊接根據(jù)原理劃分成熱傳導(dǎo)焊接、激光深焊接。

在激光焊接數(shù)值模擬中構(gòu)建熱源模型主要是為了尋找符合焊接參數(shù)下的熱流分布。本文所用熱源模型為順著深度向上呈指數(shù)衰減高斯熱源，采用DEFINE-SOURCE對移動高斯體積熱源進行定義，分析不同功率、光斑、速度和材料吸收性等熱分布。

本文選擇不銹鋼304模擬，該材料作為不銹鋼常見材質(zhì)，耐高溫，且加工性好，韌性高，在食品、醫(yī)療、化工等行業(yè)被廣泛應(yīng)用[4]。由于激光焊接影響參數(shù)較多，為便于分析溫度，選擇不同焊接監(jiān)測點，對焊接時的熱分布進行分析。基于此，分析焊接時的溫度。

（1）隨著時間變化，激光焊接溫度發(fā)生變化，一方面隨著時間變化，板片兩邊的長條形焊縫激光焊接溫度隨之變化，這是因為焊接熱源是高斯移動熱源，順著焊接方向，板片由溫度梯度，板片熱量只能夠利用板片外表面以及外界自然對流實現(xiàn)散熱。在高斯熱源移動時，溫度梯度前期較大，后期變小。此外，焊接時，同厚度板片處，距離差小，但是溫差大，激光焊接熱影響區(qū)域很小，該特性在板式換熱器焊接中十分適用[5]。因此，在激光焊接板式換熱器時，需要加大前期的焊接功率，降低移動速度，，防止焊接邊沿的質(zhì)量降低。

在點焊板片中間處，焊接熱源固定，隨著時間變化，焊點溫度也會發(fā)生變化。在激光光源處于定點焊接時，能夠使板片間邊界加熱至模型設(shè)定熔化溫度，這就表明激光焊接加熱速度比較快，在極短期間內(nèi)可以使兩塊板片焊接成型，激光焊接效率高，可以用于大規(guī)模和批量生產(chǎn)中。焊接時，需要對加熱時間進行控制，由于長期加熱，焊縫熔池變深，使激光深度增加，極易燒穿。

（2）隨著焊接速度變化，焊接溫度也會變好。實際加工時，大多數(shù)激光焊接設(shè)備為數(shù)控模式，其可以調(diào)節(jié)焊接速度和功率等。因此，通過對激光焊接速度進行調(diào)整仿真焊接溫度場，對二者關(guān)系進行分析。焊接速度快則焊縫熔池中間溫度越低，隨之平均溫度也降低。若是中間部位溫度小于304不銹鋼熔點會直接影響焊接質(zhì)量。激光焊接板式換熱器時，板片焊接質(zhì)量十分重要，而焊縫則直接關(guān)系著設(shè)備承壓性能，影響甚密封性。

（3）隨著焊接功率變化，焊接溫度也會受到影響。若是功率不到位，則會導(dǎo)致熔深不足，板片之間的焊接相當(dāng)于虛焊，但是若功率過大則會導(dǎo)致板片容易被燒穿。因此，不同厚度的板片焊接需要進行激光功率的調(diào)賬，進而滿足工藝需求。

（4）焊接溫度也會受到焊接環(huán)境溫度影響，地理上的差異會導(dǎo)致焊接環(huán)境溫度出現(xiàn)變化。這是因為工件導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度有關(guān)，因此采用變比熱容，溫度變化會導(dǎo)致材料內(nèi)能出現(xiàn)變化。

（5）光斑直徑會影響焊接溫度。激光焊接設(shè)備具有可調(diào)節(jié)性，通過調(diào)節(jié)焊接光斑改變焊接溫度，若是光斑半徑小，則溫度影響也小，其他條件同樣則焊接溫度會發(fā)生變化。

2.2 應(yīng)用

板式換熱器采用的是光纖激光焊接系統(tǒng)，其可以焊接不超過2mm的板式換熱器板片。激光焊接技術(shù)應(yīng)用時，焊縫受到激光功率、速度、焦點、焦斑、保護氣體、吹氣方式等因素影響不同的表現(xiàn)。在對板式換熱器采用激光焊接技術(shù)時，需要選擇合適的光斑，之后進行韓后金相試驗，確定結(jié)合面的焊縫寬度，其寬度需要大于板片的厚度。要想保證焊縫質(zhì)量，需要盡可能的選用大功率激光焊接。同時，為了能夠提高焊縫的耐腐蝕性，需要采取氣體保護的方式進行焊接，采用正面直吹的吹氣方式和惰性氣體起到保護作用[6]。

焊接時，要想使板片不出現(xiàn)形變現(xiàn)象，需要將待焊接板片固定好。現(xiàn)階段，主要通過激光點焊固定法，在點焊時定位夾具，使焊縫間隙小于板厚十分之一，最大數(shù)值不可超過0.1mm，如果間隙過大會導(dǎo)致焊縫凹陷，影響焊后的力學(xué)性能。因此，焊接厚度不同的板片需要對焊縫寬度進行測試，使其滿足要求。

2.2.1 保護氣體

板式換熱器板片采用不銹鋼，其在常溫下的穩(wěn)定性較好，但是激光焊接時，這些元素受到高溫影響會出現(xiàn)金屬氧化物，進而導(dǎo)致焊縫性能下降，影響焊接質(zhì)量。因此，需要在激光焊接時一般采用惰性氣體保護熔池，常用氬氣、氦氣這兩種保護氣體，考慮這兩種氣體的價格、性能等，可以采用氬氣保護熔池[7]。

激光功率為2.5KW、焊接速度為0.05m/s時，焊接能夠做到完全焊透，組織比較細(xì)密，焊縫整體形態(tài)較好。在氬氣保護下，焊接線能量為50J/MM，激光功率變?yōu)?KW時，接頭焊縫能夠保證完全焊透，正面和反面的形態(tài)都比較好[98。但是相對于無保護氣體，焊縫正反面出現(xiàn)了銀白色金屬色澤，這就表示焊縫的保護效果較好，并無空氣氧化現(xiàn)象。由于激光功率和焊接速度變化，在氬氣保護下的焊縫上表面熔寬都超過了大氣環(huán)境下焊縫熔寬。保護氣體能夠起到抑制等離子體的作用，提高材料對于激光的吸收率，在焊縫表面有很多金屬熔化，也增加的焊縫上表面熔寬，穩(wěn)定焊接過程，焊縫熔寬變化很少。

2.2.2 激光功率和焊接速度

激光焊接參數(shù)類型比較多，但是激光功率、焊接速度和離焦量等因素影響最大，決定了焊縫成形及其穩(wěn)定性。通常情況下，其他工藝參數(shù)固定，對熔深影響最大的是激光功率，焊接速度也會影響熔深和熔寬。

激光功率會影響焊縫的熔寬，隨著激光功率增減，焊縫上表面的熔寬也會隨之變化，這是由于激光功率增加，激光線能量固定時，焊接速度也會增加，導(dǎo)致焊縫表面融化金屬減少，導(dǎo)致熔寬變窄[9]。通過研究發(fā)現(xiàn)，激光線的能量以及功率影響著激光深熔焊表現(xiàn)，在激光能量達到一定閾值后，激光深熔焊會形成一定小孔，也就形成了全熔透焊接，此時會同時噴出浸塑蒸汽以及等離子體，下空部位在蒸汽李和表面張力的影響下會出現(xiàn)對流現(xiàn)象。而由于激光功率的提升，焊縫的下表面熔寬也會擴大。盡管焊接線能量無變化，但功率密度增加，小孔能量也會增加，下孔從中間朝向邊緣的蒸汽更強，進而導(dǎo)致焊縫表面的熔寬擴大。但是，隨著激光功率增加，焊縫寬度也逐漸增加，其與激光功率密度提高有關(guān)。

2.2.3 激光光斑半徑

在板式換熱器激光焊接時，光斑半徑0.2mm，焊接溫度可以達到3547K，但底部溫度僅有1310K，并未焊穿，這就表示光斑半徑減小，熱影響區(qū)也就隨之減小。此外，在激光光斑半徑縮小時，其中心溫度也會發(fā)生較大變化，這就表明激光焊接光斑半徑越小則能量越集中，因此，在板片激光焊接時，需要對光斑進行適當(dāng)調(diào)整以保證焊接能量和焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜上所述，同一激光參數(shù)下，保護氣體能夠?qū)す夂附雍缚p起到保護作用，對焊縫表面和橫截面有著較大的影響，自從使用保護氣體之后，焊縫氧化痕跡也逐漸減弱，焊縫表面上下熔寬分別呈現(xiàn)擴大、縮減現(xiàn)象，因此，在板式換熱器激光焊接中使用保護氣體更穩(wěn)定，外界影響因素比較少。同時，激光功率、焊接速度也會影響焊接焊縫，激光功率從2KW變化到4KW，焊縫能夠完全焊透，焊縫形貌也比較好，且無明顯缺陷，焊縫表面上下熔寬隨著激光功率的變化而發(fā)生變化。