CN105414763A - 一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，在进行板式换热器板片焊接之前使用自行设计的激光焊接辅助工艺装备将换热器板片夹紧，在实施激光焊接过程中施加高频超声波振动，超声波振动和激光束采用同轴方式施加，在进行激光焊接时超声振动工具头与换热器板片直接接触。使用本发明设计的激光焊接辅助工艺装备可以有效解决不同材料换热器板片装夹困难与焊接接头气体保护问题，同时超声振动的辅助作用可以减小或消除焊接残余应力、细化焊缝晶粒，使焊缝组织均匀化，减少气孔裂纹缺陷，从而提高焊缝耐腐蚀性能和力学性能，延长板式换热器使用寿命。

Description

一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种板式换热器常用材料超声同轴辅助激光焊接方法。该方法属于材料加工领域，是一种新型高效的板式换热器焊接方法。

背景技术

板式换热器是一种高效、紧凑式换热器，可以在高温、高压及酸碱环境中正常工作，被广泛应用于化工、机械、冶金等工业，但随着现代工业的飞速发展，工作环境的不同要求板式换热器具有更加优异的性能，因此在板式换热器的使用过程中经常存在使用压力、温度的局限及流体与密封垫片的相容性问题。激光焊接具有速度快、变形小、深宽比大、焊接工艺灵活可控、自动化程度高等对板式换热器生产极为有利的优点，但是在板式换热器激光焊接过程中焊接残余应力、晶粒粗大等缺陷，此类缺陷的存在大大降低了板片焊接接头的耐腐蚀性能和力学性能，缩短了板式换热器的使用寿命。

对不锈钢、纯镍、纯钛换热板片的激光焊接实验研究表明：在不锈钢板激光焊接过程中，保护气体对其焊接接头的质量影响不大，故从节约生产成本的角度考虑，在不锈钢换热器板片焊接时无需使用保护气体进行焊接；在纯镍板激光焊接过程中，采用合适的焊接预留槽可以做到单面送气双面保护的效果，故在纯镍换热器板片焊接时只需设计合适的焊接预留槽即可省除焊缝背面保护气体的使用；在纯钛板激光焊接过程中，由于钛的化学活泼性太强，极易与空气中的O₂和N₂发生化学反应，破坏其接头的力学性能及降低焊缝耐腐蚀性能，故在纯钛换热器板片焊接时需要对焊缝正反两面实施气体保护。综合上述3种不同材质板试样的激光焊接工工艺分析，可以将上述3种不同材质换热器的板片焊接工装进行统一设计。焊接工装按照纯钛换热器板片焊接时的需求进行设计，通过对保护气体的导通的控制来分别实现对3种不同材质换热器的板片的焊接。

此外，由于在焊接过程中板片受热不均匀，焊接接头往往会产生一定的残余应力和焊接变形，此类缺陷的存在会直接影响致换热器使用寿命。传统的消除残余应力和矫正变形的主要方法有锤击、机械振动、焊后热处理等，这些处理方法的主要弊端在于操作繁琐、耗时，且效果不太明显。因此如何获得能够改善板式换热器焊接接头残余应力和焊接变形的方法是提高激光焊接质量的关键所在。

超声波是机械能量的一种传播方式，在凝固过程中施加超声振动是改善组织的有效方法之一。在激光焊接过程中引入超声振动可以减小或消除接头残余应力，对焊接起到矫正变形作用，同时可以细化焊缝晶粒，使焊缝组织更加均匀化，减少气孔裂纹，提高焊缝耐腐蚀性能和力学性能。

中国专利CN101195183A公开了一种超声波辅助激光钎(熔)焊方法，其技术特征是在激光钎焊低熔点镀层金属或者激光钎焊异种金属过程中，同时在即将凝固的焊缝区域施加高频振动的超声波，以达到减少或避免气孔产生、改善焊缝成形、提高焊接强度及降低焊接成本的目的；此超声波是通过超声焊接装置的滚轮传递到焊缝区域，而且超声波采用旁轴方式施加于激光后方的即将凝固的焊缝区域。这种设计在一定程度上改善了焊接质量，但是此方法采用旁轴法施加超声振动，操作繁琐；由于其振动头和激光束之间存在一定的距离，因此在焊接轨迹为弧形时很难实现焊接任务。此外，使用滚轮将超声波传递至焊缝区域时滚轮与变幅杆之间的间隙会影响超声波传播。

中国专利CN102059453A公开了一种超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于在激光焊接钛合金、铝合金等金属中容易产生气孔、热裂纹、接头软化等技术问题的材料焊接过程总施加超声振动，从而达到细化组织，提高焊缝性能的目的。该专利施加超声振动的方式为非接触式，而且采用旁轴方式施加。由于超声振动采用非接触式，这样极大的降低了超声振动的利用率，浪费了大量超声资源，而且超声振动效果明显降低；此外，旁轴设计在焊接时操作繁琐。本发明采用同轴方式施加超声振动，而且为接触式，与上述专利完全不同。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，实现不同材料换热器板片装夹及气体保护难题，消除或减小焊接接头残余应力，细化接头组织，减少或避免气孔产生，提高接头焊接质量，从而达到延长板式换热器使用寿命的目的。

本发明技术方案：一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于实现步骤如下：在激光焊接焊接板式换热器板片的过程中，先使用激光焊接辅助工艺装备进行板片装夹，再将超声振动工具头加于换热器板片，超声振动与激光束采用同轴方式施加，焊接时首先打开超声波发生器，延迟几秒再将激光束照射于焊接板片表面进行焊接，焊接过程超声振动由超声振动单元产生，超声振动单元包括超声波发生器和超声振动工具头，超声振动工具头由机床或焊接机器人带动进行焊接，焊接时超声波可同时作用于换热器板片待焊接区域和焊缝即将凝固区域，超声振动工具头和待焊接板片直接接触，超声振动工具头对换热器板片的作用压力范围为0.1-0.5MPa；超声波工作频率为50-100kHz。

所述激光焊接辅助工艺装备设计如下：

综合考虑不同材料的换热器板片对焊接工装的不同需求设计了适用于板片材料为不锈钢、纯镍、纯钛的焊接工装系统，焊接工装系统局部设计如专利附图3所示，由于板片焊接处呈上凹下凸的槽状结构，为便于板片装夹定位、加强焊道处支撑、改善上下板片在焊道处的接触条件、便于实施焊缝背部气体保护，在焊接工作台底板上对应板片焊缝处加工出一个高度比板片焊接处凹槽深度高0.1mm的支撑凸台，并在凸台中央铣出一个宽度不小于3mm，槽深不超过3mm的焊接预留槽。并且每隔200-300mm设置焊接保护气体通道，联通于焊接预留槽底部。凸台外侧安装压头，此压头用于压紧换热器板片。在进行不锈钢板片焊接时，带有预留槽的凸台只起定位与支撑作用；在进行纯镍板片焊接时，预留槽还可实现单面送气双面保护；在纯钛板焊接过程中，通过联通预留槽底部的保护气体通道接通保护气体，实现纯钛板焊接时焊缝背面保护。

所述焊接过程中激光束由CO₂激光器、固体激光器、光纤激光器或半导体激光器激光器，焊接时激光参数根据需要可调。

激光焊接不锈钢板片过程中不采气体保护，激光焊接纯镍板片时保护方式为同轴保护，激光焊接纯钛板片时采用正背双面气体保护，保护气体流量28-32L/min最宜。

所述超声振动工具头包括换能器、变幅杆、振动头；换能器、变幅杆、振动头依次连接。

所述超声振动工具头的换能器、变幅杆、振动头三个元件中心均开有中心孔，中心孔同心且半径相等，焊接时激光束由此通孔穿过照射于待焊接板片表面，以此来实现超声同轴辅助激光进行换热器板片焊接。

所述的振动头顶端两侧开有保护气体流通通槽，焊接过程中同轴保护气体从此通槽流出。此通槽将振动头分为前后两部分，其中振动头前部略高于振动头后部，两者之间的高度差为10-100um，在焊接过程中振动头前部直接作用于换热器板片待焊接区域，振动头后部直接作用于即将凝固的焊缝表面。

所述振动头上设计有压力传感器，压力传感器用于确保超声振动工具头对焊接板片的压力范围为0.1-0.5MPa。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)将超声波施加于焊接区域时由于焊接板片交界处声阻较大，因此会达到局部高温，超声振动产生的热量起到焊前预热和减缓焊缝冷却速度的作用，从而可以减少或避免焊接接头气孔和裂纹。

(2)在激光焊接过程中施加超声振动可以利用超声波在液体中传播时的空化效应和声流效应使焊缝组织晶粒得到显著细化，进一步提高焊接接头性能；

(3)在激光焊接过程中施加超声振动可以利用超声波高频振动对熔池的搅拌作用去除焊缝中大部分气体，进而减少或避免焊缝气孔缺陷；

(4)在激光焊接过程中施加超声振动可以使焊缝组织合金元素更加均匀，减小偏析，使焊缝强度和耐腐蚀性能提高；

(5)在激光焊接过程中施加超声振动可以消除或减小焊接残余应力，增强接头强度和耐腐蚀性能；

(6)由于超声振动工具头和换热器板片直接接触且保持有0.1-0.5MPa的压力，这样便可以对换热器板片起到局部压紧作用，保证了换热器板片的装夹问题，进一步提高了焊接质量；

(7)在对板式换热器板片进行焊接时使用本发明设计的激光焊接辅助工艺装备可以对板片进行有效压紧，减小焊接变形，防止焊漏。在进行不锈钢板片焊接时，本发明设计的激光焊接辅助工艺装备上带有预留槽的凸台只起定位与支撑作用；在进行纯镍板片焊接时，预留槽还可实现单面送气双面保护；在纯钛板焊接过程中，通过联通预留槽底部的保护气体通道接通保护气体，实现纯钛板焊接时焊缝背面保护。这样便可达到使用同一个辅助工艺装备满足不同材料换热器板片激光焊接对于工装夹具的要求；

(8)本发明施加超声振动的方式为接触式，即超声振动头和焊接焊缝直接接触，此外，本发明采用同轴方式施加超声振动，这样可以更加充分利用超声资源。

附图说明

图1为板式换热器超声同轴辅助激光焊接整体示意图；

图2为本发明中的激光焊接辅助工艺装备结构示意图；

图3为激光焊接辅助工艺装备设计局部示意图；

图4为板式换热器超声同轴辅助激光焊接局部放大示意图；

图5为超声振动工具头示意图；

图6为振动头底部俯视图。

其中1表示激光器，2表示激光束，3表示超声振动工具头，4表示激光焊接焊缝，5表示压头，6表示换热器板片，7表示工作台，8表示保护气体罐，9表示超声波发生器，10表示焊接预留槽，11表示保护气体通道，h值为0.1mm，H表示预留槽深度，其深度小于3mm，L表示预留槽宽度，其大小为：3mm≦L≦(b-2)mm，b表示板片焊焊接槽宽度；12表示透镜，13表示换能器，14表示变幅杆，15表示振动头，16表示超声振动工具头中心通孔，17表示振动头前部，18表示保护气体流通通槽，19表示振动头后部。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

在进行板式换热器板片激光焊接过程中，首先使用本发明设计的激光焊接辅助工艺装备对换热器板片进行夹紧，然后采用高频振动的超声波同轴辅助激光焊接进行换热器板片焊接，以实现换热器板片的高速高效焊接。

本发明主要包括以上部分，在焊接时可以按照如下步骤进行：

步骤一，使用丙酮擦拭换热器板片待焊接部位，清除换热器板片表面油污。将换热器板片放置于本发明设计的激光焊接辅助工艺装备之上，并使换热器板片待焊接区域置于工作台的预留槽之上，然后使用压头对板片进行压紧，以此实现换热器板片装夹。

步骤二，打开保护气体，并将气体流量调至所需流量(若不需要气体保护便可无需打开保护气体)。调节激光焊接工艺参数，将激光功率、焊接速度及离焦量调节为焊接所需参数。打开超声波发生器，确定超声振动频率。然后按照预先设定程序进行换热器板片焊接。

步骤三，待焊接结束后关闭激光器、超声波发生器及保护气体。

实施例1

如图2、3所示为激光焊接辅助工艺装备示意图，激光焊接辅助工艺装备设计具体如下：由于板片焊接处呈上凹下凸的槽状结构，为便于板片装夹定位、加强焊道处支撑、改善上下板片在焊道处的接触条件、便于实施焊缝背部气体保护，在焊接工作台7底板上对应板片焊缝处加工出一个高度比换热器板片6的焊接槽深大0.1mm的凸台，并在凸台中央铣出一个宽度不小于3mm，且比焊接槽底宽至少小2mm，同时槽深不超过3mm的焊接预留槽10；同时，并且每隔200-300mm设置焊接保护气体通道11，联通于焊接预留槽10的底部。在凸台外侧安装压头5，此压头5用于压紧换热器板片对6；在进行不锈钢板片焊接时，带有预留槽10的凸台只起定位与支撑作用；在进行纯镍板片焊接时，预留槽10还可实现单面送气双面保护；在纯钛板焊接过程中，通过联通预留槽10的底部的保护气体通道接通保护气体，实现纯钛板焊接时焊缝背面保护。

在激光焊接板式换热器的过程中，使用本发明设计的激光焊接辅助工艺装备进行板片装夹，然后采用超声振动和激光束同轴方式进行换热器板片焊接。具体如下：首先将换热器板片6置于激光焊接辅助工艺装备上，使换热器板片6的焊接槽对准工作台的预留槽10，然后使用压头5将换热器板片6进行压紧。然后将超声振动工具头3加予换热器板片6，超声振动工具头3和换热器板片6直接接触且压力保持为0.1-0.5MPa，然后打开超声波发生器9，延迟3秒再将激光束2照射于换热器板片6表面进行焊接；焊接过程超声振动由超声振动单元产生，超声振动单元包括超声波发生器9和超声振动工具头3，超声振动工具头的中心开有通孔16，激光束2由此通孔16穿过照射于换热器板片6待焊接区域；焊接时超声波可同时作用于板片待焊接区域和焊缝区域，超声波工作频率为50-100kHz。

焊接过程中激光束2采用CO₂激光器，焊接时激光参数根据需要调节。

焊接过程中接头保护采用氩气作为保护气体，保护气体罐与超声振动工具头3相连接，保护气体方式采用同轴保护，保护气体流量30L/min。

图5、6所示，超声振动工具头3包含的换能器13、变幅杆14、振动头15依次连接，且三个元件中心均开有中心通孔16，中心通孔同心且半径相等，焊接时激光束由此通孔穿过照射于待焊接换热器板片6表面，以此来实现超声同轴辅助激光焊接进行换热器板片焊接。

振动头15顶端两侧开有气体流通通槽18，此通槽将振动头分为振动头前部17和振动头后部19两部分，其中前部略高于后部，两者之间的高度差为10-100um，在焊接过程中振动头前部17直接作用于换热器板片待焊接区域，振动头后部19直接作用于即将凝固的焊缝表面。

本实施方式中板式换热器板片材料为纯镍Ni201，焊接参数为：激光功率P＝2.5kW，焊接速度v＝0.05m/s，离焦量△f＝0mm，保护气体为氩气，保护气体流量q＝30L/min，超声波作用压力为0.1MP，超声波工作频率为50kHz。

首先，使用丙酮擦拭换热器板片待焊接部位，清除换热器板片表面油污。将换热器板片放置于本发明设计的激光焊接辅助工艺装备之上，并使换热器板片待焊接区域置于工作台的预留槽之上，然后使用压头对板片进行压紧，以此实现换热器板片装夹。

其次，打开同轴保护气体，并将气体流量调至30L/min。调节激光焊接工艺参数，将激光功率调节为2.5kW，将焊接速度调节为0.05m/s，将离焦量调节为0mm。打开超声波发生器，确定超声振动频率为50kHz。然后按照预先设定程序进行换热器板片焊接。

最后，待焊接结束后关闭激光器、超声波发生器及保护气体。

实施例2

如图2、3所示为激光焊接辅助工艺装备示意图，激光焊接辅助工艺装备设计具体如下：由于板片焊接处呈上凹下凸的槽状结构，为便于板片装夹定位、加强焊道处支撑、改善上下板片在焊道处的接触条件、便于实施焊缝背部气体保护，在焊接工作台7底板上对应板片焊缝处加工出一个高度比换热器板片6的焊接槽深大0.1mm的凸台，并在凸台中央铣出一个宽度不小于3mm，且比焊接槽底宽至少小2mm，同时槽深不超过3mm的焊接预留槽10；同时，并且每隔200-300mm设置焊接保护气体通道11，联通于焊接预留槽10的底部。在凸台外侧安装压头5，此压头5用于压紧换热器板片对6。在进行不锈钢板片焊接时，带有预留槽10的凸台只起定位与支撑作用；在进行纯镍板片焊接时，预留槽10还可实现单面送气双面保护；在纯钛板焊接过程中，通过联通预留槽10的底部的保护气体通道接通保护气体，实现纯钛板焊接时焊缝背面保护。

在激光焊接板式换热器的过程中，使用本发明设计的激光焊接辅助工艺装备进行板片装夹，然后采用超声振动和激光束同轴方式进行换热器板片焊接。具体如下：首先将换热器板片6置于激光焊接辅助工艺装备上，使换热器板片6的焊接槽对准工作台的预留槽10，然后使用压头5将换热器板片6进行压紧。然后将超声振动工具头3加予换热器板片6，超声振动工具头3和换热器板片6直接接触且压力保持为0.1-0.5MPa，然后打开超声波发生器9，延迟3秒再将激光束2照射于换热器板片6表面进行焊接；焊接过程超声振动由超声振动单元产生，超声振动单元包括超声波发生器9和超声振动工具头3，超声振动工具头的中心开有通孔16，激光束2由此通孔16穿过照射于换热器板片6待焊接区域；焊接时超声波可同时作用于板片待焊接区域和焊缝区域，超声波工作频率为50-100kHz。

焊接过程中激光束2采用CO₂激光器，焊接时激光参数根据需要调节。

焊接过程中接头保护采用氩气作为保护气体，激光焊接之前打开同轴保护气体和背面保护气体，保护气体流量32L/min。

图5、6所示，超声振动工具头3包含的换能器13、变幅杆14、振动头15依次连接，且三个元件中心均开有中心通孔16，中心通孔同心且半径相等，焊接时激光束由此通孔穿过照射于待焊接换热器板片6表面，以此来实现超声同轴辅助激光焊接进行换热器板片焊接。

振动头15顶端两侧开有气体流通通槽18，此通槽将振动头分为振动头前部17和振动头后部19两部分，其中前部略高于后部，两者之间的高度差为10-100um，在焊接过程中振动头前部17直接作用于换热器板片待焊接区域，振动头后部19直接作用于即将凝固的焊缝表面。

本实施方式中板式换热器板片材料为纯钛TA1，焊接参数为：激光功率P＝2.1kW，焊接速度v＝0.05m/s，离焦量△f＝0mm，保护气体选择氩气，保护气体流量q＝32L/min，超声波作用压力为0.1MP，超声波工作频率为60kHz。

首先，使用丙酮擦拭换热器板片待焊接部位，清除换热器板片表面油污。将换热器板片放置于本发明设计的激光焊接辅助工艺装备之上，并使换热器板片待焊接区域置于工作台的预留槽之上，然后使用压头对板片进行压紧，以此实现换热器板片装夹。

其次，同时打开同轴保护气体和背面保护气体，并将气体流量调至32L/min。调节激光焊接工艺参数，将激光功率调节为2.1kW，将焊接速度调节为0.05m/s，将离焦量调节为0mm。打开超声波发生器，确定超声振动频率为60kHz。然后按照预先设定程序进行换热器板片焊接。

最后，待焊接结束后关闭激光器、超声波发生器及保护气体。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于实现步骤如下：在激光焊接焊接板式换热器板片的过程中，先使用激光焊接辅助工艺装备进行换热器板片装夹，然后将超声振动工具头加于换热器板片，超声振动与激光束采用同轴方式施加，焊接过程超声振动由超声振动单元产生，超声振动单元包括超声波发生器和超声振动工具头，超声振动工具头由机床或焊接机器人带动进行焊接，超声振动工具头和待焊接板片直接接触，超声振动工具头对换热器板片的作用压力范围为0.1-0.5MPa；超声波工作频率为50-100kHz。

2.根据权利要求1所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：所述激光焊接辅助工艺装备设计如下：根据换热器板片焊接处呈上凹下凸的槽状结构，为便于板片装夹定位、加强焊道处支撑、改善上下板片在焊道处的接触条件、便于实施焊缝背部气体保护及不同材料板式换热器板片激光焊接时对辅助装备的需求，在焊接工作台底板上对应板片焊缝处加工出一个高度比板片焊接处凹槽深度高0.1mm的支撑凸台，并在凸台中央铣出一个宽度不小于3mm，槽深不超过3mm的焊接预留槽；并且每隔200-300mm设置焊接保护气体通道，联通于焊接预留槽底部；凸台外侧安装压头，此压头用于压紧换热器板片；在进行不锈钢板片焊接时，带有预留槽的凸台只起定位与支撑作用；在进行纯镍板片焊接时，预留槽还可实现单面送气双面保护；在纯钛板焊接过程中，通过联通预留槽底部的保护气体通道接通保护气体，实现纯钛板焊接时焊缝背面保护。

3.根据权利要求1所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：所述焊接过程中激光束由CO₂激光器、固体激光器、光纤激光器或半导体激光器激光器，焊接时激光参数根据需要可调。

4.根据权利要求1所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：激光焊接不锈钢板片过程中不采气体保护，激光焊接纯镍板片时气体保护方式为同轴气体保护，激光焊接纯钛板片时采用正背双面气体保护，以上保护气体流量28-32L/min最宜。

5.根据权利要求1所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：所述超声振动工具头包括换能器、变幅杆、振动头；换能器、变幅杆、振动头依次连接。

6.根据权利要求5所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：超声振动工具头的换能器、变幅杆、振动头三个元件中心均开有中心孔，中心孔同心且半径相等，焊接时激光束由此通孔穿过照射于待焊接换热器板片表面，以此来实现超声同轴辅助激光进行换热器板片焊接。

7.根据权利要求5所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：所述的振动头顶端两侧开有保护气体流通通槽，焊接过程中同轴保护气体从此通槽流出；此通槽将振动头分为前后两部分，其中振动头前部略高于振动头后部，两者之间的高度差为10-100um，在焊接过程中振动头前部直接作用于换热器板片待焊接区域，振动头后部直接作用于即将凝固的焊缝表面。

8.根据权利要求1所述的板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其特征在于：所述振动头上设计有压力传感器，压力传感器用于确保超声振动工具头对焊接板片的压力范围为0.1-0.5MPa。