一種循環(huán)水冷卻系統(tǒng)及焊接頭保護(hù)氣裝置的應(yīng)用

陸 璟，黎森文，歐芝清，游新亮

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

1 激光焊接的原理及特點

1.1 光纖激光器焊接的原理

光纖激光器光束是由輸入的三相電進(jìn)入激光器主電源，轉(zhuǎn)換成60 VDC～75 VDC 的直流電，為泵浦激光二極管供電，泵浦激光二極管輸出980 nm 的泵浦光，泵浦光通過光纖耦合到有源光纖中，有源光纖摻雜了稀土元素鐿離子Yb，鐿離子Yb 吸收980 nm的泵浦光，其內(nèi)層電子被激發(fā)到外層，外層電子不穩(wěn)定，會落回內(nèi)層，期間產(chǎn)生1 070 nm 的光子，光子在光纖內(nèi)被兩個反射器件持續(xù)反射增強(qiáng)，形成激光輸出，如圖1 所示。

圖1 光纖激光器激光產(chǎn)生原理圖

激光焊接則是利用高能量的激光脈沖對材料進(jìn)行微小區(qū)域的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定的熔池。焊接時，將激光器發(fā)射的高功率密度（108～1012 W/cm2）的激光束聚縮成聚焦光束，以此轟擊工件表面，產(chǎn)生熱能，熔化工件，如圖2 所示。

圖2 激光焊接原理

激光束是具有單一頻率的相干光束，在發(fā)射中不產(chǎn)生發(fā)散，可用透鏡聚縮為一定大小的焦點（0.076～0.8 mm）。小焦點激光束可用于焊接、切割、打孔；大焦點激光束可用于材料表面熱處理及清洗等。光纖激光器則是利用光導(dǎo)纖維來引導(dǎo)激光束，增加了焊接的靈活性[1]。

1.2 光纖激光焊接的特點

（1）光纖傳輸激光焊接機(jī)選配CCD 攝像監(jiān)視系統(tǒng)，方便觀察和精確定位。

（2）光纖傳輸激光焊接機(jī)焊斑能量分布均勻，具有焊接特性所需要的最佳光斑。

（3）光纖傳輸激光焊接機(jī)適應(yīng)各種復(fù)雜焊縫，各種器件的點焊，以及1 mm 以內(nèi)薄板的縫焊。

（4）光纖傳輸激光焊接機(jī)采用英國進(jìn)口陶瓷聚光腔體，耐腐蝕、耐高溫，腔體壽命（8～ 10）年，氙燈壽命800 萬次以上。

（5）可定制專用的自動化工裝夾具，實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

2 光纖激光器焊接的應(yīng)用及工藝

光纖激光器焊接應(yīng)用于光通信器件、IT、醫(yī)療、電子、電池、光纖耦合器件、顯像管電子槍、金屬零件、手機(jī)振動馬達(dá)、鐘表精密零件、汽車鋼片等的精密焊接。如，在電子工業(yè)就得到了廣泛的應(yīng)用。

因為激光焊接熱影響區(qū)小，加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片厚度在0.05～0.1 mm，采用傳統(tǒng)焊接方法很難解決，TIG 焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性不好，影響因素多而采用激光焊接效果很好，受到廣泛地應(yīng)用。

3 保護(hù)氣體對激光焊接的作用及吹入方式

3.1 保護(hù)氣體對激光焊接的作用

在激光焊接中，保護(hù)氣體會影響焊縫成型、焊縫質(zhì)量、焊縫熔深及熔寬等，在極大多數(shù)情況下，吹入保護(hù)氣體會對焊縫產(chǎn)生有利作用：

1）正確地吹入保護(hù)氣體會有效保護(hù)焊縫熔池減少氧化，甚至避免被氧化；

2）正確地吹入保護(hù)氣體可以有效減小焊接過程中產(chǎn)生的飛濺，起到保護(hù)聚焦鏡或者保護(hù)鏡的作用；

3）正確地吹入保護(hù)氣體可以促使焊縫熔池凝固時均勻鋪展，使得焊縫成型均勻美觀；

4）正確地吹入保護(hù)氣體可以有效減小金屬蒸汽羽或者等離子云對激光的屏蔽作用，讓到達(dá)工件表面的激光能量增大，增大激光的有效利用率；

5）正確與吹入保護(hù)氣體可以有效減少焊縫氣孔。

3.2 保護(hù)氣體的吹入方式

保護(hù)氣體的吹入方式目前主要有兩種：一種是旁軸側(cè)吹保護(hù)氣體，如圖3 所示；另一種是同軸保護(hù)氣體，如圖4 所示。兩種吹入方式具體該怎么選擇是多方面綜合考慮的，一般情況下建議采用側(cè)吹保護(hù)氣體的方式。

圖3 旁軸側(cè)吹保護(hù)氣

圖4 同軸保護(hù)氣

保護(hù)氣體吹入方式選擇原則：直線焊縫用旁軸好，平面封閉圖形用同軸好。

首先需要明確的是，所謂的焊縫被“氧化”僅是一種俗稱，理論上是指焊縫與空氣中有害成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致焊縫質(zhì)量變差，常見是焊縫金屬在一定溫度下與空氣中的氧、氮、氫等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

防止焊縫被“氧化”就是減少或者避免這類有害成分與高溫狀態(tài)下的焊縫金屬接觸，這種高溫狀態(tài)不僅僅是熔化的熔池金屬，而是從焊縫金屬被熔化時一直到熔池金屬凝固并且其溫度降低至一定溫度以下整個時間段過程。例如鈦合金焊接，當(dāng)溫度在300 ℃以上時能快速吸氫，450 ℃以上時能快速吸氧，600 ℃以上時能快速吸氮，所以鈦合金焊縫在凝固后并且溫度降低至300 ℃以下這個階段內(nèi)均需受到有效的保護(hù)效果，否則就會被“氧化”。

從上述描述不難理解，吹入的保護(hù)氣體不僅需要適時對焊縫熔池進(jìn)行保護(hù)，還需要對已經(jīng)焊接過的剛剛凝固的區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，所以一般均采用圖3所示的旁軸側(cè)吹保護(hù)氣體，因為這種方式的保護(hù)方式相對于圖4 中的同軸保護(hù)方式的保護(hù)范圍更廣泛，尤其是對焊縫剛剛凝固的區(qū)域有較好的保護(hù)。

旁軸側(cè)吹對于工程應(yīng)用來說，不是所有的產(chǎn)品都能夠采用旁軸側(cè)吹保護(hù)氣體的方式，對于某些具體的產(chǎn)品，只能采用同軸保護(hù)氣體，具體需要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及接頭形式進(jìn)行有針對性的選擇。

（1）直線焊縫

如圖5 所示，產(chǎn)品的焊縫形狀為直線狀，接頭形式為對接接頭、搭接接頭、陰角角縫接頭或者疊焊接頭均可，此類型的產(chǎn)品均是采用圖3 所示的旁軸側(cè)吹保護(hù)氣體方式為佳。

圖5 直線狀焊縫

（2）平面封閉圖形焊縫

如圖6 所示，產(chǎn)品的焊縫形狀為平面圓周狀、平面多邊形狀、平面多段線狀等封閉型圖形，接頭形式為對接接頭、搭接接頭、疊焊接頭等均可，此類型產(chǎn)品均是采用圖4 所示的同軸保護(hù)氣體方式為佳。

圖6 平面封閉狀焊縫

4 循環(huán)水冷卻對同軸保護(hù)氣裝置的保護(hù)

4.1 循環(huán)水冷卻的作用

由于激光在焊接應(yīng)用的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，所以對保護(hù)氣裝置的有效保護(hù)也是影響工作效率的一個關(guān)鍵因素。目前常用的冷卻方式有2 種：氣體冷卻和液體冷卻。由于氣體冷卻的工作方式和冷卻效果不適用于激光焊接，所以這里著重考慮液體冷卻。

液體冷卻是一種用冷卻劑流過或環(huán)繞某個系統(tǒng)來防止該系統(tǒng)過熱的流體，它通過將該系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到其他的系統(tǒng)來使用或消耗熱量。常用的有輕水、重水和液態(tài)金屬鈉。理想的冷卻劑具有高熱容量、低黏度、廉價、無毒、化學(xué)惰性、無腐蝕性又不促進(jìn)腐蝕。基于成本及維護(hù)考慮，選擇輕水這一液體作為冷卻劑。

4.2 循環(huán)水冷卻對同軸保護(hù)氣裝置的保護(hù)

如圖7 所示，由于在激光焊接過程中工件表面反射的氣體和弧光溫度過高，會對保護(hù)氣裝置造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，即便保護(hù)氣裝置本身都采用金屬或陶瓷等耐高溫材料，久而久之也無法保存完好，特別是與之相連接的氣路管材。

圖7 高溫對保護(hù)氣裝置影響示意

保護(hù)氣裝置與氣體源是用軟氣管來連接的，這種軟氣管的材料大多是PVC 聚氯乙烯。而它的熔點范圍只有130 ℃～145 ℃，當(dāng)反射的氣體和弧光對保護(hù)氣裝置本身傳導(dǎo)熱量時，熱量也會相應(yīng)的傳導(dǎo)至氣管。在大型工件焊接時，由于焊接時間長及溫度高，往往在保護(hù)氣裝置沒有得到充分冷卻時，又開始循環(huán)工作，非常影響保護(hù)氣裝置和軟氣管的使用壽命，更可能會在焊接的過程中導(dǎo)致軟氣管熔化而漏氣，影響焊縫質(zhì)量。

為解決這一問題，采用環(huán)繞式循環(huán)水冷卻裝置作為同軸保護(hù)氣裝置的主體部分。因此采用循環(huán)水冷卻能有效地延緩保護(hù)氣裝置的使用壽命，在連續(xù)焊接過程中更是極大地提高了其工作效率。如圖8所示。

圖8 環(huán)繞式循環(huán)水冷卻裝置示意

此裝置是利用了直徑不等的銅管通過彎曲一定的弧度，壓緊并焊接而成。在工作時，冷卻劑通過冷卻裝置從銅管的一端進(jìn)入，另一端返回到冷卻裝置，通過物理和化學(xué)等方式將冷卻劑進(jìn)行冷卻。由于此過程一直在循環(huán)，不管焊接設(shè)備是否工作，冷卻劑都會通過既定路徑將焊接過程中產(chǎn)生的熱量帶走，起到保護(hù)作用[2]。

并且此種類型的水冷保護(hù)裝置相較于市面上其它的保護(hù)裝置還有許多優(yōu)點：

（1）加工簡單，單純的利用銅管的柔性通過折彎、點焊、攻絲就能安裝使用了。

（2）節(jié)約成本，此款水冷裝置加工精度低，不需要上銑床，鉆床等加工設(shè)備。在造價上不到其它產(chǎn)品的十分之一。

（3）效率高，同等質(zhì)量的水冷裝置往往作用只在焊接頭底部的一小片區(qū)域，而此產(chǎn)品整體圍繞在保護(hù)氣裝置周身，換熱量更高、更快。

5 結(jié)語

激光焊接作為一種工業(yè)應(yīng)用的趨勢，其配套產(chǎn)品也必將逐步完善。不斷改進(jìn)、完善各種配件和機(jī)構(gòu)，使其在各種領(lǐng)域中發(fā)揮出更大的作用是我們工業(yè)人應(yīng)盡之責(zé)。本文通過利用銅管加工后作為冷卻劑載體達(dá)到散熱的目的，還有相關(guān)材料及化工原理未做考慮。主要工作原理參考銅管對流散熱器及列管散熱器。