CN105171240A - 一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法 - Google Patents

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张峥
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Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co Ltd
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Abstract

一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，包括以下步骤：焊前准备、连接方法、焊接参数、保护气体。本发明采用连续激光器对等厚换热板片实现全焊透。采用正交试验方法优化得出不同焊接参数对全焊透接头熔深、熔宽、力学性能以及焊缝表面氧化变色的影响规律，通过采用较大正离焦量增大上层和下层界面处熔宽，以及限制焊后下层换热板熔深以提高焊接接头质量。

Description

一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法
技术领域
本发明属于金属焊接的技术领域，具体涉及一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法。
背景技术
板式换热器由其换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧等优点，同时可通过改变板型可满足不同工况需要，因此板式换热器在化工行业具有广泛的应用，随着国民经济的发展和科技的进步，小型板式换热已不能满足生产需要。但大板型在应用中板片之间易发生变形、错位等缺点，特别是在波纹深度深，通道宽的板型中更易出现上述缺点。
因此亟需找到一种适宜大型换热板片之间固定，防止板片变形、错位的方法，但由于板片波纹槽底部一般较窄、板片较薄同时波纹形式多变，因此板片固定方法需要路径自动化，固定过程稳定可靠。而激光焊具有热输入集中，热影响区窄、焊接效率高、焊接稳定等优点，可通编程实现复杂板型搭接焊接。所以研发一种换热板片搭接激光焊焊接方法具有重要的使用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，获得性能优良的焊缝接头，该焊接接头性能符合:ASMEⅨ-2013EdQW-197要求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，包括以下步骤：
a)焊前准备：先将带孔铜垫板置于激光焊机床上，然后将换热板片搭接放置铜板上，再在正面采用压梁压紧；
b)连接方法：换热板片搭接接头采用连续激光器全焊透焊接工艺，满足焊缝强度及上层、下层换热板片的表面质量要求；
c)焊接参数：全焊透搭接激光焊采用优化后的焊接参数：激光功率2150KW、离焦量+6mm、焊接速度3m/min；
d)保护气体：焊接过程中换热板片上层采用纯氩气及氮气保护、背面采用氮气保护防止氧化。
所述步骤d)中上层主轴采用纯氩气主保护，尾保采用氮气保护，其中氩气气体流量为15~25L/min，氮气压力为0.5Mpa~0.8Mpa；下层采用氮气保护，氮气压力为0.3Mpa~0.5Mpa。
本发明针对现有焊接板式换热器，板片面积大，波纹通道宽时，板片易发生弯曲变形的缺点。由于板片波纹形式多样化，波纹泡多的特点，基于激光焊能量集中，热影响区小，易实现自动化焊接的优点。本发明采用连续激光器对等厚换热板片实现全焊透。采用正交试验方法优化得出不同焊接参数对全焊透接头熔深、熔宽、力学性能以及焊缝表面氧化变色的影响规律，通过采用较大正离焦量增大上层和下层界面处熔宽，以及限制焊后下层换热板熔深以提高焊接接头质量。
研究结果表明，激光焊焊接参数（功率、焦点、焊接速度、激光光斑直径）对搭接接头熔深、熔宽、力学性能、焊缝表面氧化变色都有显著影响。随着功率增大，焊缝熔深、熔宽、接头强度增大，但达到适中功率后继续增大会造成焊缝烧穿、表面氧化严重等缺点。激光光斑处能量集中，焊接时易产生气孔，因此常采用一定离焦量焊接，负离焦时属于熔深焊，焊缝深宽比大，正离焦时属于导热焊，焊缝深宽比较小，因此薄板焊接常采用正离焦焊接。随着焊接速度增大，焊缝熔深、机械性能等降低，但氧化程度减小。通过正交试验优化焊接参数，适当增加板片交界处熔宽，限制下层板片熔深，减少焊缝氧化程度得到性能优良的焊缝。本发明的技术进行不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接，焊接接头性能符合:ASMEⅨ-2013EdQW-197要求。
本发明具体具有以下优点：
（1）与其他板片焊接方法相比，激光焊具有能量密度高，热影响区窄，速度快，焊接路径灵活，易实现自动化焊接等优点，有利于提高焊接接头性能和焊接效率。
（2）薄板焊接且接头为全焊透形式时，连续激光焊具有能量输出稳定，焊缝质量均匀的优点。
（3）采用正面主保护气体氩气、尾保护气体氮气，背面采用氮气保护，在保证焊缝质量前提下，最大限度节约生产成本。
附图说明
图1为本发明焊接布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明及其效果进一步说明。
一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，包括以下步骤：
a)焊前准备：先将带孔铜垫板置于激光焊机床上，然后将换热板片搭接放置铜板上，再在正面采用压梁压紧；
b)连接方法：换热板片搭接接头采用连续激光器全焊透焊接工艺，满足焊缝强度及上层、下层换热板片的表面质量要求；
c)焊接参数：全焊透搭接激光焊采用优化后的焊接参数：激光功率2150KW、离焦量+6mm、焊接速度3m/min；
d)保护气体：焊接过程中换热板片上层采用纯氩气及氮气保护、背面采用氮气保护防止氧化。
所述步骤d)中上层主轴采用纯氩气主保护，尾保采用氮气保护，其中氩气气体流量为15~25L/min，氮气压力为0.5Mpa~0.8Mpa；下层采用氮气保护，氮气压力为0.3Mpa~0.5Mpa。
本发明针对板式换热器板片搭接焊接结构，板片组成1+1mm搭接形式。下面以此例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为焊接时的布局图，包括厚度为1mm的上、下层换热板片1、2，保护气罩3，激光光束4，带孔铜垫板5。焊前先将上、下层换热板片1、2搭接组对整齐，并将带孔铜垫板5置于激光焊机床上，再通过激光焊机床压梁将板上、下层换热板片1、2及带孔铜垫板5压紧。焊接时先从保护气罩3通入主保护气体氩气和尾保护气体氮气保护焊缝正面，同时从带孔铜垫板5孔槽通入背保护气体氮气，再输入激光光束4到上层换热板片1上，并移动激光光束实现焊接。焊后先停止输入激光光束4再停止保护气体。
鉴于板片厚度较薄，采用非熔透焊接时，上层换热板片1和下层换热板片2交界处熔宽小，焊缝剪切强度低，不易达到标准要求值，因此本发明首先确定焊缝需全焊透。各焊接参数需要相应匹配才能保证焊接质量，一方面考虑从板片厚度为1mm，采用焊缝深宽比较小的正离焦焊接，同时为保证焊缝宽度，增大离焦量，使加载到焊缝表面的能量光斑直径增大，最终焊缝熔宽增加（为保证焊缝剪切强度），另一方面为保证接头全焊透在焊接速度不变的情况下，需要适当增加焊接率。通过正交试验方法，得出了最佳匹配焊接参数：焊接功率2150W、焊接速度3m/min、离焦量：+6mm。
焊接过程中焊接熔池温度高，需采用保护气体，主要防止熔池金属氧化。同时熔池正面温度比背面温度高，瞬间最高温度达2500℃以上，从经济效益考虑本发明实施过程中正面熔池正中采用纯氩气保护，正面熔池尾保采用纯氮气保护，熔池背面均采用纯氮气保护。气体流量在保证焊缝正面及背面无氧化变色前提下，尽量选择较小流量，通过实验验证最终选择正面靠激光光束4主轴附近主保护氩气流量为15~25L/min，正面尾保氮气压力为0.5Mpa~0.8Mpa；下层氮气保护压力为0.3Mpa~0.5Mpa。
采用本发明的不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊焊接方法，不锈钢搭接组合为1+1mm，采用上述焊接工艺焊后接头无咬边、裂纹、未熔透等焊接缺陷，从金相截面图可见焊缝截面呈“X”状，板片交界处焊缝平滑过渡，焊后搭接接头上层换热板片1与下层换热板片2截面处熔宽达0.79mm，焊缝正面无明显下凹，下层换热板片2上焊缝熔深为1.12mm，按ASMEⅨ-2013EdQW-464.1制备拉伸试样的破坏力达9.8KN，焊缝正面和背面无氧化变色。

Claims (2)

1.一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)焊前准备：先将带孔铜垫板置于激光焊机床上，然后将换热板片搭接放置铜板上，再在正面采用压梁压紧；
b)连接方法：换热板片搭接接头采用连续激光器全焊透焊接工艺，满足焊缝强度及上层、下层换热板片的表面质量要求；
c)焊接参数：全焊透搭接激光焊采用优化后的焊接参数：激光功率2150KW、离焦量+6mm、焊接速度3m/min；
d)保护气体：焊接过程中换热板片上层采用纯氩气及氮气保护、背面采用氮气保护防止氧化。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢换热板片搭接全焊透激光焊接方法，其特征在于：所述步骤d)中上层主轴采用纯氩气主保护，尾保采用氮气保护，其中氩气气体流量为15~25L/min，氮气压力为0.5Mpa~0.8Mpa；下层采用氮气保护，氮气压力为0.3Mpa~0.5Mpa。
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