文 宋維建 蘇州領(lǐng)創(chuàng)普瑞瑪智能裝備有限公司

2001 年以前，中國的換熱器板基本采用傳統(tǒng)的焊接方式，如半管夾套氬弧焊、沖壓拉深堆焊等，歐美等國較早使用了激光焊接新技術(shù)，并且大量向中國出口由激光焊接后的換熱板及其罐體，導(dǎo)致我國相關(guān)企業(yè)在競爭中處于被動地位。領(lǐng)創(chuàng)激光的技術(shù)團隊于2001 年成功研制出高速度、高精度和高可靠性的國內(nèi)首套大型激光板焊加工設(shè)備，歷經(jīng)二十多年的潛心研發(fā)，已向市場推出近十個機型的產(chǎn)品和自動化產(chǎn)線。

米勒板蜂窩夾套激光焊接工藝制程的理論分析

米勒板蜂窩夾套是廣泛應(yīng)用于鍋爐、醫(yī)療器械、輕工、化工、食品等行業(yè)的新型換熱設(shè)備，通過激光焊接可以加工成蜂窩式、通道式、蜂窩通道混合式、瓦楞式四種形式的夾套結(jié)構(gòu)，是先進制造技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有制造方便、傳熱效果好、綠色低碳、經(jīng)濟效益明顯等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。由于米勒板蜂窩夾套的特殊制造工藝及其新穎結(jié)構(gòu)，需要對其進行系統(tǒng)的實驗研究和理論分析（主要是有限元數(shù)值模擬分析）。從2001 年起，浙江大學(xué)研究團隊、領(lǐng)創(chuàng)激光團隊及寧波樂惠工程技術(shù)人員主要開展了以下研究工作：⑴對夾套材料的彈性、塑性性能進行研究，為有限元分析打下基礎(chǔ)。⑵對激光焊的焊縫進行金相分析和剖面放大觀察，從焊縫組織和結(jié)構(gòu)上分析其對整個夾套結(jié)構(gòu)的影響。⑶對夾套的制造關(guān)鍵——壓力鼓脹過程進行分析，解決壓力鼓脹過程中的鼓脹壓力—鼓脹高度關(guān)系的盲目性問題。⑷對夾套殼體進行結(jié)構(gòu)強度分析，求出夾套的安全使用壓力。通過以上的實驗研究和有限元分析，提出了一套比較適合激光焊蜂窩夾套從生產(chǎn)制造到使用安全校核的系列有限元分析方法。該方法減少了工廠驗證時間，具有極強的理論指導(dǎo)意義，促進了激光焊接米勒板技術(shù)和工藝在換熱器領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。

米勒板蜂窩夾套激光焊接工藝簡介

米勒板蜂窩夾套激光焊接設(shè)備是換熱器行業(yè)用不銹鋼或ND鋼的中心穿透熔化焊設(shè)備，該設(shè)備集光、機、電、氣動及制冷技術(shù)于一體，采用計算機控制，具有極高的自動化程度。米勒板蜂窩夾套激光焊接采用先進的加工工藝，利用激光將上層薄鋼板通過中心穿透熔化焊方式與下層較厚或相同厚度的鋼板焊接在一起，被焊的上下板可以具有不同或相同的厚度，一般薄板小于3mm，厚板小于20mm，加工幅面可至2000mm×1200mm。通過焊接可以成形四類夾套，板片經(jīng)過二次成形加工形成板式換熱器等換熱罐體和裝置。該工藝可以極大減小工人的勞動強度，無焊條損耗，無環(huán)境污染。CNC 控制有效地提高了制件的精度，焊縫光滑無雜質(zhì)，強度高，均勻致密，焊后工件變形小。材料利用率可達100%，加工效率成倍提高。另外通過專用自動編程軟件控制，可以方便地更換焊接圖樣，以滿足不同冷媒，耐壓和換熱需要。

圖1 鼓脹成形

圖2 板片焊接

圖3 點環(huán)激光板片焊接

米勒板蜂窩夾套激光焊接分類

從使用光源分，領(lǐng)創(chuàng)激光可為用戶提供兩種3000 ～6000W激光器，即光纖激光器和CO2板條式激光器。光纖激光器又分為焊接版單模式和點環(huán)雙模式兩種，兩種光纖激光器的焊接成形質(zhì)量比較見表1。CO2板條式激光器焊接飛濺少，易于控制焊縫氧化，焊縫光滑，但光束易受等離子體遮蔽，不利于長焊縫的連續(xù)焊接；光纖激光器則相反，但如果采用點環(huán)雙模式光纖激光器，則可以極大減少飛濺，焊縫成形接近氣體激光器。點環(huán)雙模式光纖激光器能量分布如圖4 所示。

表1 兩種光纖激光器的焊接成形質(zhì)量比較

圖4 點環(huán)雙模式光纖激光器能量分布

從焊接方式分，可分為軸移動式插補焊和振鏡掃描焊接。軸移動式插補焊又可分為單槍插補焊接和多槍頭同步焊接，振鏡掃描焊接又分為機器人控制和平面軸控制兩種。掃描振鏡如圖5 所示，機器人驅(qū)動振鏡焊接設(shè)備如圖6 所示。目前使用振鏡掃描焊接的加工效率是單槍插補焊接的2.5 倍，缺點是焊縫不易保護。

圖5 掃描振鏡

圖6 機器人驅(qū)動振鏡焊接設(shè)備

從結(jié)構(gòu)分，可分為步進式和連續(xù)式兩種。前者板材步進式移動焊接，可焊接薄+薄、薄+厚等所有板片，而且不需要底層模具；后者板材不動，通過輥輪壓料實現(xiàn)連續(xù)焊接，只適宜于兩層薄板焊接，底層厚板一般不大于8mm，否則由于焊接應(yīng)力，輥輪壓力不足導(dǎo)致焊接失效。輥輪壓料式連續(xù)焊接設(shè)備如圖7 所示。

圖7 輥輪壓料式連續(xù)焊接設(shè)備

從自動化程度分，可分為單機、NC 單元及FMS。單機加工幅面長度1200 ～2000mm，最大寬度2000mm，如圖8 所示；NC 單元有單機+上下料和雙機+上下料兩種，如圖9 所示；FMS 柔性制造產(chǎn)線包含中央控制室、AGV 物流運輸車、自動化產(chǎn)線和工廠監(jiān)控等，目前已做到12 臺（套）及16 臺（套）兩個智慧樣板車間，從原材料到成品，相關(guān)的生產(chǎn)、存儲、搬運、檢測環(huán)節(jié)無需人工操作，完全由機器和指令控制。

圖8 單機（軸控式）

圖9 NC 單元（一拖二）

需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

⑴雙層板片壓料技術(shù)及裝置輔以隨動輥輪壓料機構(gòu)，合理的板片間隙是確保焊接質(zhì)量的前提。

⑵減少飛濺技術(shù)，飛濺影響成品質(zhì)量和外觀，容易造成后續(xù)壓坑及增加二次處理難度。

⑶焊縫防氧化技術(shù)及工藝，目前多采用同軸保護、側(cè)吹保護及復(fù)合方式，保護氣體多采用按一定比例的氬氣+氦氣，由于價格較高，使用氮氣也是一種選擇。

⑷薄+厚的焊接質(zhì)量易于控制，但薄+薄的焊接需要特定的裝置和工藝，尤其是對于需要高使用壓力的行業(yè)，焊縫需要達到雙面凸起，這就要求對離焦量、底部粘連及防氧化等參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行控制。

⑸Ramping 功能的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)主要通過精確焊縫路徑計算設(shè)定功率、速度和時間三者之間的匹配關(guān)系，實現(xiàn)優(yōu)良的起弧、收弧效果。

⑹選擇光束傳導(dǎo)器件最佳參數(shù)配比。焊接版點環(huán)雙模式光纖激光器，中心點光纖芯徑100μm，外環(huán)光纖芯徑300μm，擴束準(zhǔn)直鏡焦距100mm，工作焦距300mm，聚焦光斑直徑為0.3mm 和0.9mm，焊縫寬度約1.5 ～2.5mm。

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