關德軍 陳延蕊

山東旺泰科技有限公司 山東淄博 255130

工業(yè)生產者中，板式換熱器屬于常用熱交換設備，密封效果對換熱器使用壽命產生了影響。傳統(tǒng)膠墊密封相容性差，其中存在腐蝕介質。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，通過科學的激光焊接技術可以有效密封板式換熱器板片，對于板式換熱器的質量具有重要作用。

1 板式換熱器和焊接技術概述

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，廣泛應用在制冷、化學、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溫度不可超過250℃，工作壓力通常不可高于2.5MPa，否則會出現泄露。在非侵蝕性環(huán)境中，采用密封墊圈密封能夠符合產品使用要求，在侵蝕環(huán)境中，墊圈極易被介質侵蝕而出現侵蝕老化現象失效，為了能夠保證產品可靠，當前一般通過焊接實現密封。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，該設計能夠在板片間讓介質構成湍流，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，板片會出現塑性變形，進而使板片失效。

圖1 板式換熱器結構

1.2 焊接技術

1.2.1 傳統(tǒng)焊接技術

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，焊接結構通常采用的是疊焊方式。根據常規(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，無法滿足生產要求，只能夠在無腐蝕情況下應用，而其他離子焊接的焊縫質量比較好，符合工藝要求，但是成本比較高，操作復雜，氬弧焊的焊縫質量也比較好，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變形現象[2]。

1.2.2 激光焊接技術

激光焊接技術利用激光束融化材料實現材料焊接?，F階段的激光焊接技術主要是利用偏光鏡對激光進行反射，進而產生大量能量光束，在照射材料時，可以將光能轉化熱能來融化材料，起到焊接作用。激光焊接分為熱導焊、深熔焊，其中，熱導焊是將激光輻射到材料表面，熱量從外部逐漸擴大到內部來融化材料，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，進而構成了焊縫。在進行深熔焊時，因為功率大，材料表面氣化構成了小孔，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，激光焊接能夠根據要求調節(jié)激光焦點功率，應用范圍比較廣泛，也能夠從空間上將能量源與加工設備分隔開，采用細光纖傳輸，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。激光焊接應用廣泛，可以應用好普通焊接材料，且加工速度比較快，產生的污染很少，能夠迅速對接機器人實現自動焊接。

2 板式換熱器中激光焊接技術的應用

2.1 影響因素

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

在激光焊接數值模擬中構建熱源模型主要是為了尋找符合焊接參數下的熱流分布。本文所用熱源模型為順著深度向上呈指數衰減高斯熱源，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，耐高溫，且加工性好，韌性高，在食品、醫(yī)療、化工等行業(yè)被廣泛應用[4]。由于激光焊接影響參數較多，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?；诖耍治龊附訒r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，大多數激光焊接設備為數控模式，其可以調節(jié)焊接速度和功率等。因此，通過對激光焊接速度進行調整仿真焊接溫度場，對二者關系進行分析。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量。激光焊接板式換熱器時，板片焊接質量十分重要，而焊縫則直接關系著設備承壓性能，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，則會導致熔深不足，板片之間的焊接相當于虛焊，但是若功率過大則會導致板片容易被燒穿。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，地理上的差異會導致焊接環(huán)境溫度出現變化。這是因為工件導熱系數和比熱容與溫度有關，因此采用變比熱容，溫度變化會導致材料內能出現變化。

（5）光斑直徑會影響焊接溫度。激光焊接設備具有可調節(jié)性，通過調節(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。激光焊接技術應用時，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。在對板式換熱器采用激光焊接技術時，需要選擇合適的光斑，之后進行韓后金相試驗，確定結合面的焊縫寬度，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，要想使板片不出現形變現象，需要將待焊接板片固定好。現階段，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，最大數值不可超過0.1mm，如果間隙過大會導致焊縫凹陷，影響焊后的力學性能。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金屬氧化物，進而導致焊縫性能下降，影響焊接質量。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，導致焊縫表面融化金屬減少，導致熔寬變窄[9]。通過研究發(fā)現，激光線的能量以及功率影響著激光深熔焊表現，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對流現象。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。

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調整以保證焊接能量和焊縫質量。

3 結語

綜上所述，同一激光參數下，保護氣體能夠對激光焊接焊縫起到保護作用，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擴大、縮減現象，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。