方冬平

上海雙木散熱器制造有限公司，中國(guó)·上海 201499

1 引言

眾所周知，激光焊接優(yōu)點(diǎn)很多，雖然在一定程度上它的應(yīng)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(zhì)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(shì)，但是其使用成本比較高，如何進(jìn)一步節(jié)省成本，同時(shí)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(jìn)，調(diào)整工藝參數(shù)，然后按國(guó)際規(guī)范通過一系列的研究，驗(yàn)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(dá)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(zhì)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(gè)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(gè)腔體。這個(gè)腔體能夠使循環(huán)壓力介質(zhì)與筒體內(nèi)部的介質(zhì)形成能量交換，從而有效地加熱和冷卻筒體內(nèi)部介質(zhì)。因此激光焊蜂窩的焊縫接頭強(qiáng)度和可靠性是要保證的，必須承受設(shè)計(jì)壓力值。按ASME VIII-1 UG-101/APP.17 進(jìn)行爆破試驗(yàn)，能夠有效地驗(yàn)證焊接質(zhì)量[2]。通過評(píng)估，可以從兩個(gè)焊接參數(shù)的調(diào)整來實(shí)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(yàn)與之前對(duì)比差別不大，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求的，則表明焊接參數(shù)調(diào)整是可行的。

3 激光焊接工藝改進(jìn)和強(qiáng)度驗(yàn)證

3.1 工藝改進(jìn)具體方法分析

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

3.1.1 減少激光焊接工作量

第一種改進(jìn)方法是直接將焊接圈數(shù)降低，焊接一塊試板。將每個(gè)蜂窩焊圈減少到2.5 圈，不調(diào)整速度，每平方米節(jié)約焊接時(shí)間：156×0.88s=137s，每天可節(jié)省：35×137s=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(jìn)方法是在第一種改進(jìn)方法的基礎(chǔ)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(shí)長(zhǎng)度1900ms。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試將速度調(diào)整到每秒4000mm 時(shí)，激光器功率調(diào)整為6.2V 模擬量值，延時(shí)長(zhǎng)度1400ms，焊接的外觀質(zhì)量幾乎沒有任何變化，可以將焊接速度調(diào)整為4000mm/s。每平方米節(jié)約焊接時(shí)間156×0.55s=85.5s，每天可節(jié)省：35×（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(jìn)方法，減少蜂窩夾套的焊圈圈數(shù)和進(jìn)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(hù)氣體。

3.2 焊接試樣制備及爆破試驗(yàn)

3.2.1 焊接試樣制備

為了驗(yàn)證改進(jìn)的焊接工藝，需要嚴(yán)格按照ASME 規(guī)范VIII 卷第1 分冊(cè)UG-101 及強(qiáng)制性附錄17 要求自備試板并進(jìn)行爆破試驗(yàn)[3]。采用底板材料厚度為5mm、長(zhǎng)和寬均為800mm 的SA-240M 304 鋼板，夾套板采用厚度1.2mm、長(zhǎng)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(duì)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(jìn)出口孔，用于水壓爆破試驗(yàn)介質(zhì)的進(jìn)出口。

圖1 夾套爆破試板（單位：mm）

所需設(shè)備：一臺(tái)激光夾套專用焊機(jī)，專用開孔器，拔孔工裝，水壓泵，拉伸試驗(yàn)機(jī)，工業(yè)金相顯微鏡。

3.2.2 爆破試驗(yàn)

爆破方法就是將進(jìn)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(diǎn)，后半程應(yīng)適當(dāng)控制壓力增加幅度，直到夾套鼓脹變形達(dá)到極值，最終某一處破裂，記下爆破時(shí)壓力值，這便是爆破試驗(yàn)的爆破壓力，記著B。

3.3 爆破試驗(yàn)結(jié)果

不同焊接參數(shù)，對(duì)應(yīng)的爆破壓力值如表1，不同焊接參數(shù)做的爆破試驗(yàn)，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(jìn)前焊接圈數(shù)為3.5 圈，焊接速度為每分鐘3000mm 時(shí)，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(shí)爆破壓力為5.5MPa。進(jìn)一步調(diào)快焊接速度到4000mm/min 時(shí)，爆破壓力值為5.8MPa。根據(jù)爆破計(jì)算公式能夠及時(shí)出最大允許工作壓力P 為0.745MPa，夾套設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa，因此三種爆破強(qiáng)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(jì)算最大允許工作壓力公式：

B 即爆破試驗(yàn)壓力，Sμ是夾套板材室溫最小抗拉強(qiáng)度，查原材料規(guī)范可知515MPa，Sμavg為在室溫下試樣的平均實(shí)際抗拉強(qiáng)度，經(jīng)過拉伸測(cè)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(yàn)與結(jié)果分析

4.1 爆破試板外觀檢驗(yàn)

爆破試板外觀檢測(cè)，焊縫寬度均勻，沒有發(fā)現(xiàn)明細(xì)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(zhì)量問題。經(jīng)過外觀檢測(cè)合格，符合ASME 焊接質(zhì)量要求。

4.2 爆破夾套板平均抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要測(cè)試一組夾套板的實(shí)際抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)室取了四根拉伸試樣，按ASTM A370 在常溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度分別為795MPa、755MPa、760MPa、730MPa，故平均值為760MPa。從標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式可知，此項(xiàng)變量為重要參數(shù)之一，該強(qiáng)度值大，計(jì)算最大允許工作壓力就越小。

4.3 焊縫金相檢測(cè)

宏觀金相按照ASME VIII-1 APP.17 進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 蜂窩夾套焊圈宏觀金相照片

4.4 檢驗(yàn)結(jié)果分析

激光焊接工藝改進(jìn)后，進(jìn)行了外觀檢測(cè)、強(qiáng)度測(cè)試、焊縫的剖面宏觀檢測(cè)。從外觀和宏觀檢測(cè)結(jié)果可以證明改進(jìn)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(qiáng)度測(cè)試能夠?yàn)楸茰y(cè)試進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)。通過檢驗(yàn)和測(cè)試，證明爆破試板焊接質(zhì)量和強(qiáng)度滿足要求，激光焊接工藝參數(shù)的調(diào)整對(duì)強(qiáng)度影響很小。

5 結(jié)論與建議

由于激光夾套換熱效率高，結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)用的鄰域越來越廣[5]。通過激光夾套焊接工藝改進(jìn)的可行性分析，調(diào)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(yàn)、強(qiáng)度測(cè)試、宏觀檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也完全滿足設(shè)計(jì)要求。激光夾套結(jié)構(gòu)的特殊性，很難直接計(jì)算其強(qiáng)度。所以說，爆破試驗(yàn)對(duì)于激光夾套的強(qiáng)度計(jì)算是一個(gè)很有效方法[6]。通過改進(jìn)后的工藝生產(chǎn)出來的兩塊試板，驗(yàn)證了夾套的強(qiáng)度基本上與改進(jìn)前的強(qiáng)度等級(jí)一致。計(jì)算強(qiáng)度也是滿足設(shè)計(jì)要求的，說明激光夾套工藝改進(jìn)是合理的，能夠有效地提高焊接效率，為生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論依據(jù)和工藝保證。

本次工藝參數(shù)調(diào)整效果是明顯的，一方面是長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，另一方面是通過實(shí)驗(yàn)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(cè)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(diào)整為2.5 圈，實(shí)際上是焊接量的減少，同時(shí)每一道焊道進(jìn)行優(yōu)化了，不是在原來的焊道重復(fù)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(dá)到接頭性能的最優(yōu)化。隨著激光設(shè)備的改進(jìn)，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(diào)整時(shí)間都相應(yīng)的縮短了。所以整個(gè)激光夾套的生產(chǎn)效率遠(yuǎn)不僅僅是焊接效率提升的，該工藝的改進(jìn)對(duì)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(jìn)在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，大大提高了總體工作效率。實(shí)際上，激光夾套焊接過程中，除了焊接效率本身的提高，每個(gè)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(dòng)、焊槍升降，焊圈和焊圈之間的空駛等一系列組合動(dòng)作?，F(xiàn)在焊接效率的提高，其他輔助動(dòng)作相應(yīng)減少或速度提升，故總的生產(chǎn)效率相應(yīng)提高?？傊?，該焊接工藝改進(jìn)為企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)工序節(jié)能降本做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，也為企業(yè)其他類型的激光夾套工藝的改進(jìn)提供了一條新思路。