一种翅片管焊接方法及系统与流程

本发明涉及翅片管焊接领域，尤其涉及一种翅片管焊接方法及系统。

背景技术：

翅片管广泛应用于电力、水泥、冶金、化工等工业各领域的热交换管道管路，通过在管材外表面增加翅片的方法，大大提高热媒介的接触面积，提高热交换效率。随着对于翅片管性能需求的提高，对于翅片的焊接性能要求(焊接强度、熔深、表面缺陷、效率)也却来越高。翅片管的制造工艺主要包括：轧制成型翅片管、高频焊翅片管、铸造翅片管、张力缠绕翅片管、镶片管、YAG激光焊接翅片管。其中目前应用最为广泛的方案为轧制成型翅片管及高频焊翅片管。

轧制成型翅片管采用轧辊轧制的方案，将管材直接成型为翅片管。由于管材及外部翅片的一体性，这种方法具有良好翅片的结合强度。但是由于其采用轧辊压应力在管材上的塑性变形来成型，因此其能够生产的翅片管的翅片间距不能过小、翅片高度也不能过高，生产效率过低，尤其对于高强度的翅片管材料，成型困难。

高频焊翅片管通过在管材及翅片之间施加高频的电流，利用电流的集肤效应在管材的近外表面及翅片的根部产生高温焊接成型，具有很高的效率(焊接线速度)，但是对于高要求的翅片管，由于该方法的焊接熔深浅结合强度差(奥氏体不锈钢焊接抗拉强度在170Mpa左右)，同时作为接触焊的一种方法，焊接表面质量差、杂质多，容易产生焊接缺陷进而影响热交换效率。

近年来在高质量焊接翅片管的工艺研究过程中，出现了采用脉冲YAG激光器直接输出(硬光路)的翅片管焊接方案，大大提高了翅片的焊接质量，具有非常优秀的焊接结合强度，但是存在YAG激光器光电转换效率低(＜15％)的问题，导致单位焊接长度能耗所带来的成本增加，焊接速度受限。同时采用硬光路，焊接设备的柔性差，不能满足各种结构规格的翅片管焊接。

因此，如何提供一种能够高效稳定的、适合大部分翅片管尺寸规格的高焊接质量的翅片管翅片焊接方法一直是该领域最为关注的技术难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光纤耦合半导体激光器的翅片管焊接方法，充分利用半导体激光器光电转换效率高(约50％)的优点，通过非接触式的焊接方法及系统，在保证翅片表面焊接质量、以及翅片与待焊接管材之间焊接熔深的同时，大大提高焊接效率，降低生成成本。并且，本发明采用光纤耦合半导体激光器作为光源，即软光路的方式，可以显著提高焊接的柔性，能够完成各种复杂形状的焊接过程，具有广阔的市场前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种翅片管焊接方法，所述方法包括：清除翅片及待焊接管材表面的杂质，并将所述翅片及待焊接管材安装在夹持装置上；将焊接头连接在光纤耦合半导体激光器的光纤输出端，设置所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离；利用所述光纤耦合半导体激光器发射类高斯多模激光光束，将所述激光光束汇聚于所述翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接。

上述方案中，所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离为10mm-80mm。

上述方案中，所述将激光光束汇聚于所述翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接，具体包括：将所述焊接头与待焊接管材的轴向夹角设置为不大于88°，根据所述翅片与所述待焊接管材的厚度调节光斑直径为0.6mm-2.0mm、以及焊接线速度为20mm/s-120mm/s，将所述光纤耦合半导体激光器发射的类高斯多模激光光束汇聚于所述翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接。

上述方案中，所述光纤耦合半导体激光器的输出功率为600W-1400W，所述光纤耦合半导体激光器的波长为800nm-1100nm。

上述方案中，所述方法还包括：在进行焊接时，在翅片和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性气体进行保护。

本发明还提供一种翅片管焊接系统，所述系统包括：光纤耦合半导体激光器、夹持装置、焊接头；其中，所述光纤耦合半导体激光器，用于作为光源发射类高斯多模激光光束；所述夹持装置，用于固定已清除表面杂质的翅片及待焊接管材；所述光纤耦合半导体激光器具有光纤输出端，所述焊接头连接在所述光纤输出端，用于焊接翅片管。

上述方案中，所述焊接头，具体用于将所述光纤耦合半导体激光器发射的类高斯多模激光光束汇聚于所述翅片和待焊接管材的待焊接部位进行焊接。

上述方案中，所述光纤耦合半导体激光器的输出功率为600W-1400W，所述光纤耦合半导体激光器的波长为800nm-1100nm。

上述方案中，所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离为10mm-80mm，所述焊接头与待焊接管材的轴向夹角不大于88°，所述光纤耦合半导体激光器发射激光光束的光斑直径为0.6mm-2.0mm，焊接线速度为20mm/s-120mm/s。

上述方案中，所述系统还包括吹气装置、调速装置；所述吹气装置，用于在进行焊接时，在翅片管和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性气体进行保护；所述调速装置与翅片管相连接，用于通过调整自身的转速实现对焊接线速度的调整。

基于本发明提供的翅片管焊接方法，能够至少达到以下有益技术效果：

1)基于半导体激光器的非接触式焊接方法，大大提高了焊接质量；惰性气体的保护有效地促进了在焊接表面形成均匀且无氧化层的持续焊缝；

2)半导体激光器光电转换效率高(约50％)，功率大，在连续出光模式下焊接效率高，大大提高了生产速度，降低了成本；

3)本发明所述的光纤耦合半导体激光器采用类高斯多模出光模式，能量密度集中，在金属焊接中熔深较大，本发明提供技术方案的最大熔深可达到待焊接管材壁厚的80％；

4)光纤耦合式半导体激光器作为光源，具有更高的工艺适用性，能够实现最小翅片间距1.5mm的翅片管焊接，推广前景比较广阔。

附图说明

图1为翅片管的基本结构。

图2为本发明翅片管焊接系统组成结构示意图。

附图标记说明：1为翅片管，2为光纤耦合半导体激光器，3为光纤，4为焊接头，5为激光光束，6为焊接熔池。

具体实施方式

本发明的原理是：基于光纤耦合半导体激光器作为光源实现柔性焊接，以非接触式的焊接方法，实现翅片与待焊接管材的高质量焊接。

本发明所提供的翅片管焊接方法及系统能够适应于铁、铜、铝、钛及其合金等材料的翅片管焊接。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例一

翅片材料选择316L不锈钢，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料选择316L不锈钢，规格φ20×1.2mm，焊接过程包括以下步骤：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等杂质，使所述翅片和待焊接管材表面呈现均匀的金属光泽。

(2)将步骤(1)处理过的待焊接管材与翅片安装到夹持装置上，在所述光纤耦合半导体激光器光源的光纤输出端连接焊接头，将所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离设置为25mm。

(3)根据所述翅片与所述待焊接管材的厚度，调节光纤耦合半导体激光器发出光斑的直径以及焊接线速度等参数。

本实施例中，所述光斑直径为0.8mm，所述焊接头与待焊接管材的轴向夹角为80°；选择光纤耦合半导体激光器的输出功率为600W，设置焊接线速度为35mm/s，所述光纤耦合半导体激光器输出波长为808nm，激光光束为类高斯多模。

所述翅片管通过卡盘等装置与电机连接，通过改变电机的转速可实现翅片管移动速度的变化，进而改变翅片管的焊接线速度。

(4)按照上述设置好的参数，将光斑汇聚于所述翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接，并在焊接时，在待焊接部位吹入氮气保护。

光纤耦合半导体激光器发出的类高斯多模激光光束作用于翅片和待焊接管材的待焊接部位，激光光束的能量在此位置形成均匀的激光焊接熔池完成焊接。

实施例二

翅片材料选择444不锈钢，厚度0.5mm，高度5mm；待焊接管材材料选择316L不锈钢，规格φ20×1.2mm，焊接过程包括以下步骤：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等杂质，使所述翅片和待焊接管材表面呈现均匀的金属光泽。

(2)将步骤(1)处理过的待焊接管材与翅片安装到夹持装置上，在所述光纤耦合半导体激光器光源的光纤输出端连接焊接头，将所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离设置为15mm。

(3)根据所述翅片与所述待焊接管材的厚度，调节光纤耦合半导体激光器发出光斑的直径以及焊接线速度等参数。

本实施例中，所述光斑直径为0.6mm，所述焊接头与待焊接管材的轴向夹角为85°；选择光纤耦合半导体激光器的输出功率为1200W，设置焊接线速度为100mm/s，所述光纤耦合半导体激光器输出波长为1055nm，激光光束为类高斯多模。

所述翅片管通过卡盘等装置与电机连接，通过改变电机的转速可实现翅片管移动速度的变化，进而改变翅片管的焊接线速度。

(4)按照上述设置好的参数，将光斑汇聚于翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接，并在焊接时，在待焊接部位吹入氩气保护。

光纤耦合半导体激光器发出的类高斯多模激光光束作用于翅片和待焊接管材的待焊接部位，激光光束的能量在此位置形成均匀的激光焊接熔池完成焊接。

实施例三

翅片材料选择双相钛合金TC4，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料选择TC4，规格φ25×1.5mm，焊接过程包括以下步骤：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等杂质，使所述翅片和待焊接管材表面呈现均匀的金属光泽。

(2)将步骤(1)处理过的待焊接管材与翅片安装到夹持装置上，在所述光纤耦合半导体激光器光源的光纤输出端连接焊接头，将所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头之间的距离设置35mm。

(3)根据所述翅片与所述待焊接管材的厚度，调节光纤耦合半导体激光器发出光斑的直径以及焊接线速度等参数。

本实施例中，所述光斑直径为0.8mm，所述焊接头与待焊接管材的轴向夹角为78°；选择光纤耦合半导体激光器的输出功率为1100W，设置焊接线速度为85mm/s，所述光纤耦合半导体激光器输出波长为1064nm，激光光束为类高斯多模。

所述翅片管通过卡盘等装置与电机连接，通过改变电机的转速可实现翅片管移动速度的变化，进而改变翅片管的焊接线速度。

(4)按照上述设置好的参数，将光斑汇聚于翅片与待焊接管材的待焊接部位进行焊接，并在焊接时，在待焊接部位吹入Ar：He＝80:20vol％的混合气体保护。

光纤耦合半导体激光器发出的类高斯多模激光光束作用于翅片和待焊接管材的待焊接部位，激光光束的能量在此位置形成均匀的激光焊接熔池完成焊接。

以下给出两组其他焊接方法的对比例：

对比例一

翅片材料选择316L不锈钢，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料选择316L不锈钢，规格φ20×1.2mm，采用高频焊方法。

焊接性能测试结果见表1。

对比例二

翅片材料选择316L不锈钢，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料选择316L不锈钢，规格φ20×1.2mm，采用YAG脉冲激光方法。

焊接性能测试结果见表1。

表1 各实施例和对比例的焊接对比结果

由表1可以明显看出，通过本发明实施例提供的基于光纤耦合半导体激光器作为光源的翅片管焊接方法，能够达到非常显著的焊接效果，具有较高的焊接质量(焊着率在94％以上，实施例三的焊缝抗拉强度约为对比例二的2倍)。

进一步的，通过观察表1中的数据我们可以得出：在翅片材料和待焊接管材材料均为316L的情况下，根据本发明焊接方法测试得到的各种焊接指标明显优于现有的焊接方法。

本发明还提供一种翅片管焊接系统，所述系统包括：光纤耦合半导体激光器2、夹持装置、焊接头4；其中，所述光纤耦合半导体激光器2，用于作为光源发射类高斯多模激光光束5；所述夹持装置，用于固定清除表面杂质的翅片及待焊接管材；所述光纤耦合半导体激光器2具有光纤3输出端，所述焊接头4连接在所述光纤3输出端，用于焊接翅片管。

所述光纤耦合半导体激光器具有电源控制系统及循环水冷系统。

进一步的，所述焊接头4，具体用于将所述光纤耦合半导体激光器2发射的类高斯多模激光光束5汇聚于所述翅片和待焊接管材的待焊接部位进行焊接，见焊接熔池6。

具体的，所述光纤耦合半导体激光器2的输出功率为600W-1400W，所述光纤耦合半导体激光器2的波长为800nm-1100nm。

所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接头4之间的距离为10mm-80mm，所述焊接头4与待焊接管材的轴向夹角调不大于88°，所述光纤耦合半导体激光器2发射激光光束5的光斑直径为0.6mm-2.0mm，焊接线速度为20mm/s-120mm/s。

进一步的，所述翅片管焊接系统还可以包括吹气装置、调速装置，所述吹气装置，用于在进行焊接时，在翅片管和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性气体进行保护。所述调速装置与翅片管1相连接，用于通过调整自身的转速实现对焊接线速度的调整。

具体的，所述调速装置可以为一电机，所述翅片管通过卡盘等装置与电机连接，通过改变电机的转速可实现翅片管移动速度的变化，进而改变翅片管1的焊接线速度。

所述惰性气体可以包括但不限于：氮气、氩气、氦气等，以及上述任意组合任意比例的混合气体。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。