一種太陽能集熱板芯的激光焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法。采用同步送粉技術將焊料添加到吸熱鋁板和導熱銅管形成的楔形區(qū)域，激光光斑聚焦在填充焊料上，加熱熔化的填充焊料填充楔形區(qū)域，潤濕兩側母材并與母材相互擴散形成鋁銅釬焊接頭。該焊接方法，對激光光斑的位置精度要求大幅降低，大幅度提高產(chǎn)品合格率。另外，避免了激光直接作用在銅或鋁等高反材料表面，有效降低了反射激光對激光焊接頭內(nèi)部光學元件的損傷，同時激光與填充粉末的相互作用顯著提高了激光利用率。當在導熱銅管的兩側對稱布置一對激光焊接頭，同步進行焊接時，可以顯著提高焊接效率，降低加工成本。本發(fā)明屬于激光加工領域。
【專利說明】一種太陽能集熱板芯的激光焊接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光焊接方法，具體涉及太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，屬于激光加工領域。
【背景技術】
[0002]在國家大力倡導節(jié)能減排的背景下，作為建筑節(jié)能最大潛力的太陽能將得到更大的發(fā)展和利用，平板型太陽能集熱器因具有安全、高效、承壓、易與建筑一體化的優(yōu)勢，將獲得更大的發(fā)展機遇。集熱板芯作為平板型太陽能集熱器的關鍵部件，主要由鋁板和銅管兩種異性材料制作而成。它是吸收太陽輻射能并向介質(zhì)傳遞熱量的部件，起到太陽能與介質(zhì)進行能量交換的作用。作為產(chǎn)品的核心部件，其制造質(zhì)量十分重要。早期采用的鋁銅機械包復工藝雖然簡單，但是存在不容易包緊，銅管會晃動，接觸不良、易產(chǎn)生化學腐蝕，熱傳導性能低，生產(chǎn)效率低等問題。目前主流是采用焊接的方式進行加工，包括超聲波焊接和激光焊接。超聲波焊接會在集熱板芯背面形成寬3-10_的壓痕，破壞吸熱鍍膜，影響集熱器效率。按8根銅管，2平方米整板面積計算，整板損失鍍膜面積3%-8% (0.048-0.16平方米)。超聲波焊接通常為單條焊接，生產(chǎn)效率較低，并且焊接過程中噪聲較大。激光焊接是在背面進行焊接，因而對集熱板芯鍍膜無損傷，不影響集熱器效率。激光焊接過程可精確控制，板材變形小，因而更加適用于整板的焊接，焊接效率高。可見激光焊接技術優(yōu)勢明顯，作為未來平板太陽能集熱器集熱板芯焊接工藝趨勢，必將得到更多的應用和推廣。
[0003]但是現(xiàn)有關于太陽能集熱板芯的激光焊接技術均是將激光直接作用在吸熱鋁板和導熱銅管的貼合區(qū)域，這就對吸熱鋁板和導熱銅管的位置公差及激光聚焦光斑的位置精度要求非常嚴格，倘若貼合處間隙過大將會出現(xiàn)漏焊或者虛焊的情況。鋁板和銅管的表面均對激光有極強的反射作用，因此焊接過程中激光能量的實際利用率較低。鋁銅的冶金相容性較差，直接熔焊將會產(chǎn)生多種脆性金屬間化合物，導致接頭在應力作用下開裂失效，同時接頭內(nèi)部的金屬間化合物會在吸熱鋁板和導熱銅管之間形成很大的熱阻，降低集熱芯板的熱傳導效率。上述存在的問題導致了太陽能集熱芯板的產(chǎn)品合格率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，以解決現(xiàn)有太陽能集熱芯板制造過程中產(chǎn)品合格率低的問題。
[0005]為此，本發(fā)明提供了一種太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，其特征在于包括如下步驟:吸熱鋁板置于焊接工作臺平面上，導熱銅管安裝在吸熱鋁板上，在吸熱鋁板和導熱銅管間進行等間距激光填粉點焊，使得吸熱鋁板和導熱銅管形成可靠的釬焊連接。其特征在于采用上述焊接方法進行激光焊接時:
(1)粉末狀填充焊料由送粉器送入吸熱鋁板和導熱銅管所形成的楔形區(qū)域；
(2)由激光頭發(fā)出的激光束聚焦在填充焊料上；
(3)經(jīng)激光加熱熔化的填充焊料填充楔形區(qū)域，潤濕銅管和鋁板表面，并與兩側母材相互擴散反應形成鋁銅釬焊接頭。
[0006]未加入填充焊料時，激光束既要把吸熱鋁板部分熔化也要把導熱銅管部分熔化，才能使兩者的熔化部分相互混合在一起，反應形成焊點。因此聚焦光斑只能集中在吸熱鋁板和導熱銅管貼合的很小區(qū)域，這對吸熱鋁板和導熱銅管的位置公差及激光光斑的聚焦位置精度要求很高。
[0007]未加入填充焊料時，激光束是直接作用在吸熱鋁板和導熱銅管的表面，由于鋁和銅均為高反材料，因此激光能量的實際利用率較低。
[0008]未加入填充焊料時，焊點是由部分熔化的吸熱鋁板和導熱銅管混合反應形成的。由于鋁銅的冶金相容性較差，因此，鋁銅液相混合會反應形成脆性Al-Cu金屬間化合物。
[0009]在吸熱鋁板和導熱銅管之間加入填充焊料后，激光束主要聚焦在填充焊料上，填充焊料吸收激光能量后熔化并填充楔形區(qū)域，同時經(jīng)過熱傳到將熱量傳遞到和熔融填料直接接觸的吸熱鋁板和導熱銅管，吸熱鋁板和導熱銅管的溫度升高進一步促進了熔融填料的流動性，最終熔融填料與兩側母材相互擴散形成釬焊接頭。顯然，填充焊料作為激光的聚焦目標是比較大的，因此激光光斑的聚焦位置精度要求便可以大幅度降低，同時熔融的填充焊料可以填充吸熱鋁板和導熱銅管之間的間隙，這就使得吸熱鋁板和導熱銅管的位置公差要求大幅度降低。再者激光束是直接作用在填充焊料上的，相對于鋁板和銅管，粉末狀填充焊料對激光的吸收率明顯增加，激光能量的有效利用率大幅度增加。另外，激光焊接過程中，只有填充焊料熔化，吸熱鋁板和導熱銅管并沒有熔化，這就避免了鋁銅液相混合，從而有效地降低了脆性Al-Cu金屬間化合物的形成，大幅度提高了焊點質(zhì)量，從而最終大幅度提聞了廣品的合格率。
[0010]為了增加吸熱鋁板和導熱銅管的連接強度及集熱板芯的熱傳導效率，一般需要在導熱銅管的兩側都進行焊接。采用本發(fā)明方法進行焊接時，激光光斑可實現(xiàn)在導熱銅管一側的填充焊料上聚焦，沿著導熱銅管一側焊接完成后，再進行導熱銅管另一側的焊接。或者在導熱銅管的兩側對稱布置一對激光焊接頭，同步進行焊接。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，采用本發(fā)明方法制備太陽能集熱板芯時，具有對吸熱鋁板和導熱銅管位置公差要求低，對激光聚焦光斑位置精度要求低，激光能量有效利用率高等諸多優(yōu)點，因而產(chǎn)品的合格率也大幅度較高。另外，本發(fā)明焊接方法也可應用于其他異種金屬的精密焊接，如鋁-鋼復合結構車身的焊接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明太陽能集熱板芯單激光焊接頭焊接過程示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明太陽能集熱板芯雙激光焊接頭同步激光焊接過程示意圖。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
I)將吸熱鋁板I置于焊接工作臺上，將導熱銅管2置于吸熱鋁板I上，并用專用夾具固定夾緊。
[0015]2)打開激光器6指示紅光，調(diào)整激光頭偏轉角度及其相對于導熱銅管2的距離，使指示激光束3恰好聚焦在楔形區(qū)域處。[0016]3)打開送粉器4，調(diào)整送粉器4送粉頭偏轉角度及其相對于導熱銅管2的距離，使噴出的填充粉末恰好匯聚在楔形區(qū)域處。
[0017]4)如圖1，采用單激光焊接頭進行焊接的方法，在吸熱鋁板I和導熱銅管2 —側所形成的楔形區(qū)域內(nèi)送入填充焊料，激光束3聚焦在填充焊料上，填充焊料吸收激光能量后熔化并填充楔形區(qū)域，經(jīng)過熱傳導將熱量傳遞到和熔融填料直接接觸的吸熱鋁板和導熱銅管，吸熱鋁板和導熱銅管的溫度升高進一步促進熔融填料的流動，熔融填料與兩側母材相互擴散，最終在導熱銅管一側形成一個焊點5。
[0018]5)沿導熱銅管2長度方向，在吸熱鋁板I和導熱銅管2 —側所形成的的楔形區(qū)域進行等間距激光填粉點焊直至完成一側焊接，再進行另一側的焊接，直至完成整根導熱銅管2與吸熱鋁板I的焊接。
[0019]6)按照步驟4和步驟6所述的方法，進行下一根導熱銅管2與吸熱鋁板I的激光焊接，直至完成所有導熱銅管2與吸熱鋁板I的焊接。
[0020]所述激光器6與送粉器4尾部由 實施例2
I)將吸熱鋁板I置于焊接工作臺上，將導熱銅管2置于吸熱鋁板I上，并用專用夾具固定夾緊。
[0021]2)打開兩臺激光器6的指示紅光，分別調(diào)整兩側激光頭偏轉角度及其相對于銅管2的距離，使兩臺激光器的指示激光束3均恰好聚焦在楔形區(qū)域處。
[0022]3)打開兩臺送粉器，分別調(diào)整兩側送粉頭4偏轉角度及其相對于銅管2的距離，使兩側噴出的填充粉末均恰好匯聚在楔形區(qū)域處。
[0023]4)如圖2，采用雙激光焊接頭進行同步焊接的方法，在吸熱鋁I板和導熱銅管2兩側形成的楔形區(qū)域內(nèi)同時送入填充焊料，兩束激光束3同時聚焦在兩側的填充焊料上，填充焊料吸收激光能量后熔化并填充楔形區(qū)域，經(jīng)過熱傳導將熱量傳遞到和熔融填料直接接觸的吸熱鋁板和導熱銅管，吸熱鋁板和導熱銅管的溫度升高進一步促進熔融填料的流動，熔融填料與兩側母材相互擴散，最終在導熱銅管兩側各形成一個焊點5。
[0024]5)沿導熱銅管長度方向，在吸熱鋁板I和導熱銅管2兩側形成的楔形區(qū)域進行等間距同步激光填粉點焊直至完成整根導熱銅管與吸熱鋁板的焊接。
[0025]6)按照步驟4和步驟6所述的方法，進行下一根導熱銅管2與吸熱鋁板I的激光焊接，直至完成所有導熱銅管2與吸熱鋁板I的焊接。
[0026]綜上所述，采用本發(fā)明方法，可顯著降低吸熱鋁板與導熱銅管之間的位置精度要求，提高集熱板芯的產(chǎn)品合格率。當在導熱銅管兩側對稱布置一對激光焊接頭，同步進行焊接，一次焊接便可在導熱銅管兩側形成兩個焊點，可明顯提高焊接效率，降低加工成本。
【權利要求】
1.一種太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，其特征在于包括如下步驟:吸熱鋁板置于焊接工作臺平面上，導熱銅管安裝在吸熱鋁板上，在吸熱鋁板和導熱銅管間進行等間距激光填粉點焊，使得吸熱鋁板和導熱銅管形成可靠的釬焊連接；采用上述焊接方法進行激光焊接時: (1)粉末狀填充焊料由送粉器送入吸熱鋁板和導熱銅管所形成的楔形區(qū)域； (2)由激光頭發(fā)出的激光束聚焦在填充焊料上； (3)經(jīng)激光加熱熔化的填充焊料填充楔形區(qū)域，潤濕銅管和鋁板表面并與兩側母材相互擴散形成鋁銅釬焊接頭。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，其特征在于:激光焊接時，填充焊料是同步送入楔形區(qū)域或者先于激光束送入楔形區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求1所述的太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，其特征在于:填充焊料選擇招基合金、Zn-Al合金、Cd-Zn合金、Pb-Ag合金、Sn-Zn合金、Sn-Ag合金、Sn-Pb合金中的一種，粉末直徑在100 μ m左右。
4.根據(jù)權利要求1所述的太陽能集熱板芯吸熱鋁板和導熱銅管的激光焊接方法，其特征在于:激光焊接時，只有填充焊料熔化，鋁板和銅管母材并不熔化，熔化的焊料填充楔形區(qū)域，潤濕兩側母材并與母材相互擴散形成釬焊接頭。
【文檔編號】B23K1/005GK103862123SQ201410086103
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2014年3月11日
【發(fā)明者】楊森, 張文超 申請人:南京理工大學