方冬平

上海雙木散熱器制造有限公司，中國·上海 201499

1 引言

眾所周知，激光焊接優(yōu)點很多，雖然在一定程度上它的應用范圍有限，焊接成本也不便宜。在夾套的生產(chǎn)過程中，比起傳統(tǒng)的手工焊夾套，用激光焊蜂窩夾套生產(chǎn)效率大大提高，熱影響區(qū)和變形小，焊接質量均勻，焊縫成形好，外表美觀[1]。激光焊在焊接夾套的過程中非常有優(yōu)勢，但是其使用成本比較高，如何進一步節(jié)省成本，同時又能滿足焊接接頭性能就是一件非常有意義的事。論文就是從激光焊的焊接工藝優(yōu)化改進，調整工藝參數(shù)，然后按國際規(guī)范通過一系列的研究，驗證優(yōu)化后的焊接工藝是滿足夾套焊接接頭性能的，這樣就能夠在保證焊接接頭性能的前提下，提高焊接效率。最終，我們將焊接效率提高了11.4%，達到節(jié)能降本的目的。

2 激光夾套焊接效率提高可行性分析

激光蜂窩夾套的焊接通常是將材質為SA-240-304，厚度為t=1.2mm 的平整鋼板焊接在較厚底板上，形成一個組合件。然后將組合件卷制成筒體，再通過液壓的方式將夾套板和底板之間鼓脹出一個腔體。這個腔體能夠使循環(huán)壓力介質與筒體內(nèi)部的介質形成能量交換，從而有效地加熱和冷卻筒體內(nèi)部介質。因此激光焊蜂窩的焊縫接頭強度和可靠性是要保證的，必須承受設計壓力值。按ASME VIII-1 UG-101/APP.17 進行爆破試驗，能夠有效地驗證焊接質量[2]。通過評估，可以從兩個焊接參數(shù)的調整來實現(xiàn)焊接效率的提高，一種方法是減少焊接蜂窩夾套圈數(shù)，另一種是提高激光焊接速度。如果爆破試驗與之前對比差別不大，同時滿足設計要求的，則表明焊接參數(shù)調整是可行的。

3 激光焊接工藝改進和強度驗證

3.1 工藝改進具體方法分析

激光蜂窩夾套常見的布置方式為邊長80mm 正方形排列，蜂窩圈直徑為14mm，每平方米大約有156 個蜂窩焊圈。按原來焊接工藝，每個蜂窩圈焊3.5 圈，焊接時間約為3.08s，含延時尾氣保護時間。根據(jù)以往的實際數(shù)據(jù)算上裝配、換耗材、休息時間，每24h 焊接蜂窩夾套面積約為35m2，生產(chǎn)效率每小時為1.46m2。

3.1.1 減少激光焊接工作量

第一種改進方法是直接將焊接圈數(shù)降低，焊接一塊試板。將每個蜂窩焊圈減少到2.5 圈，不調整速度，每平方米節(jié)約焊接時間：156×0.88s=137s，每天可節(jié)?。?5×137s=4795s，約合1.33h。按新的工作效率可以算出每天能多焊接2.58m2蜂窩夾套，即每天提高產(chǎn)量7.37%。

3.1.2 提高激光焊接速度

第二種改進方法是在第一種改進方法的基礎上，提高焊接速度，再焊接一塊試板。原來的焊接速度為每秒3000mm，激光器功率為5V 模擬量值，延時長度1900ms。經(jīng)過反復調試將速度調整到每秒4000mm 時，激光器功率調整為6.2V 模擬量值，延時長度1400ms，焊接的外觀質量幾乎沒有任何變化，可以將焊接速度調整為4000mm/s。每平方米節(jié)約焊接時間156×0.55s=85.5s，每天可節(jié)?。?5×（1+7.37%）×85.5s=3213s，約合0.89h。按新的工作效率可以算出每天能多焊接1.39m2蜂窩夾套，即該方法每天提高產(chǎn)量3.71%。

綜合兩種改進方法，減少蜂窩夾套的焊圈圈數(shù)和進一步提高激光焊接的速度，每天我們的產(chǎn)量可以從原來的35m2提高到39m2，每天產(chǎn)量能夠提高11.4%。從而提高激光配件的使用效率，節(jié)省了激光焊接電能、焊接氣體及保護氣體。

3.2 焊接試樣制備及爆破試驗

3.2.1 焊接試樣制備

為了驗證改進的焊接工藝，需要嚴格按照ASME 規(guī)范VIII 卷第1 分冊UG-101 及強制性附錄17 要求自備試板并進行爆破試驗[3]。采用底板材料厚度為5mm、長和寬均為800mm 的SA-240M 304 鋼板，夾套板采用厚度1.2mm、長和寬均為786mm 的SA-240M 304 鋼板。蜂窩夾套爆破試板布置如圖1所示，對角用開孔器鉆直徑為19.5mm 的圓孔，采用拔管工裝拔口，外接高壓螺紋接頭作為進出口孔，用于水壓爆破試驗介質的進出口。

圖1 夾套爆破試板（單位：mm）

所需設備：一臺激光夾套專用焊機，專用開孔器，拔孔工裝，水壓泵，拉伸試驗機，工業(yè)金相顯微鏡。

3.2.2 爆破試驗

爆破方法就是將進口通過水壓泵注入水，在確保安全的前提下，逐步加壓。每增加0.2～0.5MPa 停頓約10min，讓試板充分塑性變形。前半程壓力增加幅度可以大點，后半程應適當控制壓力增加幅度，直到夾套鼓脹變形達到極值，最終某一處破裂，記下爆破時壓力值，這便是爆破試驗的爆破壓力，記著B。

3.3 爆破試驗結果

不同焊接參數(shù)，對應的爆破壓力值如表1，不同焊接參數(shù)做的爆破試驗，爆破壓力在5.5～5.9MPa 之間。減少焊圈和加快焊接速度后，爆破壓力沒有明顯下降。工藝改進前焊接圈數(shù)為3.5 圈，焊接速度為每分鐘3000mm 時，爆破壓力為5.9MPa。減少焊圈數(shù)為2.5 圈，其他參數(shù)不變時爆破壓力為5.5MPa。進一步調快焊接速度到4000mm/min 時，爆破壓力值為5.8MPa。根據(jù)爆破計算公式能夠及時出最大允許工作壓力P 為0.745MPa，夾套設計壓力為0.6MPa，因此三種爆破強度均滿足要求。

表1 不同焊接參數(shù)下的爆破壓力

按ASME VIII-1 UG-101(m)(2)(a)，計算最大允許工作壓力公式：

B 即爆破試驗壓力，Sμ是夾套板材室溫最小抗拉強度，查原材料規(guī)范可知515MPa，Sμavg為在室溫下試樣的平均實際抗拉強度，經(jīng)過拉伸測試平均值為760MPa，E 為激光焊接接頭的效率為0.8[4]。

4 焊接試板檢驗與結果分析

4.1 爆破試板外觀檢驗

爆破試板外觀檢測，焊縫寬度均勻，沒有發(fā)現(xiàn)明細氧化，色澤可見金屬光澤，無氣孔，無飛濺，沒有發(fā)現(xiàn)燒穿等焊接質量問題。經(jīng)過外觀檢測合格，符合ASME 焊接質量要求。

4.2 爆破夾套板平均抗拉強度檢測

按標準規(guī)定，需要測試一組夾套板的實際抗拉強度，實驗室取了四根拉伸試樣，按ASTM A370 在常溫下進行拉伸試驗，抗拉強度分別為795MPa、755MPa、760MPa、730MPa，故平均值為760MPa。從標準計算公式可知，此項變量為重要參數(shù)之一，該強度值大，計算最大允許工作壓力就越小。

4.3 焊縫金相檢測

宏觀金相按照ASME VIII-1 APP.17 進行制備和侵蝕，從宏觀金相可以看到焊縫母材和熔合情況，母材和焊縫熔合區(qū)清晰可見，熔合線有一定的深度和寬度。從圖2中能夠直觀地看到，焊縫熔合良好，沒有任何焊接缺欠，符合ASME標準要求。

圖2 蜂窩夾套焊圈宏觀金相照片

4.4 檢驗結果分析

激光焊接工藝改進后，進行了外觀檢測、強度測試、焊縫的剖面宏觀檢測。從外觀和宏觀檢測結果可以證明改進后的焊接工藝焊縫從外部到內(nèi)部無明顯的缺欠。夾套板的強度測試能夠為爆破測試進行強度計算提供依據(jù)。通過檢驗和測試，證明爆破試板焊接質量和強度滿足要求，激光焊接工藝參數(shù)的調整對強度影響很小。

5 結論與建議

由于激光夾套換熱效率高，結構合理，應用的鄰域越來越廣[5]。通過激光夾套焊接工藝改進的可行性分析，調整了焊接圈數(shù)和焊接速度，激光夾套試板經(jīng)過外觀、爆破試驗、強度測試、宏觀檢測符合標準要求，也完全滿足設計要求。激光夾套結構的特殊性，很難直接計算其強度。所以說，爆破試驗對于激光夾套的強度計算是一個很有效方法[6]。通過改進后的工藝生產(chǎn)出來的兩塊試板，驗證了夾套的強度基本上與改進前的強度等級一致。計算強度也是滿足設計要求的，說明激光夾套工藝改進是合理的，能夠有效地提高焊接效率，為生產(chǎn)應用提供了理論依據(jù)和工藝保證。

本次工藝參數(shù)調整效果是明顯的，一方面是長期生產(chǎn)經(jīng)驗的積累，另一方面是通過實驗不斷摸索得出的優(yōu)化方案，通過多種參數(shù)的不斷組合測試得出最優(yōu)化的參數(shù)。首先優(yōu)化螺旋焊圈焊接工作量，將原來的3.5 圈調整為2.5 圈，實際上是焊接量的減少，同時每一道焊道進行優(yōu)化了，不是在原來的焊道重復焊接，而是改為螺旋線，每一道都有一定的偏移。目的就是讓焊接熱影響最小化，達到接頭性能的最優(yōu)化。隨著激光設備的改進，焊接速度的提升，其性能是能夠保證的，所以焊接速度從原來的3000mm/min 改為每分鐘4000mm/min 是可行的。

綜上所述，焊接效率提升還是很明顯的，單從焊接效率的提升就能突破11.4%。除了焊接效率的提升，焊接的等待、夾具調整時間都相應的縮短了。所以整個激光夾套的生產(chǎn)效率遠不僅僅是焊接效率提升的，該工藝的改進對夾套生產(chǎn)過程中的節(jié)能降本作用明顯。

通過激光夾套焊接工藝改進在實際項目生產(chǎn)中的成功應用，大大提高了總體工作效率。實際上，激光夾套焊接過程中，除了焊接效率本身的提高，每個焊接周期還包括了一些必要的輔助工序，如焊接工裝前、后橫梁壓緊與松開、前后移動、焊槍升降，焊圈和焊圈之間的空駛等一系列組合動作?，F(xiàn)在焊接效率的提高，其他輔助動作相應減少或速度提升，故總的生產(chǎn)效率相應提高。總之，該焊接工藝改進為企業(yè)的關鍵生產(chǎn)工序節(jié)能降本做出了重要貢獻。同時，也為企業(yè)其他類型的激光夾套工藝的改進提供了一條新思路。