换热器鼓胀板对激光焊接站与工艺研究

赵德民 滕彬 付傲 苏雅奇 胡海军

摘要：根据换热器优质高效密封焊接的要求，为实现鼓胀板对自动激光焊接，开发研制出了一套换热器鼓胀板对激光焊接站。通过研制鼓胀板对自动组装夹紧工装及机器人龙门激光焊接设备，实现了鼓胀板对的自动定位、夹紧和焊接;通过研究鼓胀板对激光焊接工艺，实现了换热器不锈钢鼓胀板对长直焊缝与点焊缝的单面焊接双面成形。经生产应用表明：采用激光焊接站实现了换热器鼓胀板对的全自动焊接，提高了焊缝一次合格率和生产效率，减小了焊接变形，增强了换热器的密封性和耐压效果。

关键词：换热器;鼓胀板对;激光焊;机器人龙门

中图分类号：TG 456.7

Abstract： According to the requirement of high quality and high efficiency sealing welding of heat exchanger， in order to realize automatically laser welding of heat exchanger plates， a set of laser welding station for bulging plate of heat exchanger was developed. The automatic positioning， clamping and welding of the heat exchanger plates were realized by developing the automatic assembly clamping tooling of the heat exchanger plates and the laser welding equipment of the robot gantry. By studying the laser welding process， the singleside welding and doubleside forming of the long straight weld and spot weld of the stainless steel plate of the heat exchanger were achieved. The production application showed that the automatic welding of the heat exchanger plate pair was realized by using advanced laser welding technology， the primary qualification rate and production efficiency of the weld were improved， the welding deformation was reduced， and the sealing and pressure resistance of the heat exchanger were enhanced.

Key words： heat exchanger plate; bulging plate pair; laser welding; robot gantry

0 前言

板式换热器是由若干对冲压或鼓胀板对叠加而成，鼓胀板对是其典型结构之一，是换热器的核心部件。单组鼓胀板对由上板和下板焊接而成，对焊接工艺要求较高。板片厚度≤1.5 mm，材质主要为不锈钢，板片组对后的接头为搭接，焊接形式为长直缝焊和点焊两种，要求单面焊接双面成形。目前，国内多采用电阻焊工艺，长直焊缝在电阻缝焊设备上进行焊接，而点焊缝工件需转运到电阻点焊设备上进行二次焊接，焊接效率低，受焊接电流波动、电极头形状等因素影响，易出现焊缝外观质量差、内部熔合不稳定、工件变形大、耐压低、易泄漏、成品返工率高等现象。电阻焊设备的功率大、能耗高，且满足不了新材料（Ti合金）换热板的焊接需求。另外，鼓胀板对的生产，采用的夹具为手动，定位精度低，工人劳动强度大，生产效率低。而国外在板式换热器制造中，已开始采用高质高效的激光焊接工艺进行焊接。针对此情况，文中针对换热器鼓胀板对激光自动焊接，进行自动组装夹紧工装及机器人龙门激光焊接设备开发研制，并对不锈钢鼓胀板对长直焊缝与点焊缝焊接工艺进行研究，研制出了满足换热器板对自动化优质高效生产的激光焊接站系统及工艺。

1 换热器鼓胀板对结构与技术要求

换热器鼓胀板对材质主要有06Cr19Ni10不锈钢、022Cr17Ni12Mo2不锈钢、06Cr18Ni11Ti不锈钢、254SMo奥氏体不锈钢、C276哈氏合金、钛、镍等。板片厚度 ≤1.5 mm，典型规格为401 mm×668 mm。焊接接头为搭接接头，分为长直焊缝和点焊（環形）焊缝两种，如图1所示，要求单面焊接双面成形，焊接时间小于10 min。图2为换热器鼓胀板对焊接接头。板对在焊接结束后，通过水道对换热板对进行注水打压，实现鼓胀成型，鼓胀压力≥5 MPa（鼓胀式换热板使用工作压力> 1.6 MPa）。因此，对鼓胀板对焊缝成形及接头质量要求高。

2 激光焊接站

激光焊接站可实现换热器鼓胀板对的自动定位、夹紧和机器人激光焊接。

2.1 激光焊接站组成

激光焊接站由自行研制出的地轨式龙门、机器人、激光发生器、激光焊枪、自动夹紧工装及焊接站控制系统组成，如图3所示。激光电源采用IPG公司生产的YLS4000S2TR光纤激光器，额定功率4 kW，光纤芯径400 μm，波长1 070 nm。机器人选用70 kg机器人，带3个外部轴，实现自制地轨龙门两个导轨纵向与龙门横梁横向二维运动与机器人进行8轴协调运动;激光焊枪选用焦距为200 mm 的激光焊接头。在该焊接头的基础上，增加了自制同轴气体保护装置，通氩气对焊缝部位进行气体保护。