本發(fā)明涉及翅片管焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種翅片管焊接方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

翅片管廣泛應(yīng)用于電力、水泥、冶金、化工等工業(yè)各領(lǐng)域的熱交換管道管路，通過在管材外表面增加翅片的方法，大大提高熱媒介的接觸面積，提高熱交換效率。隨著對于翅片管性能需求的提高，對于翅片的焊接性能要求(焊接強度、熔深、表面缺陷、效率)也卻來越高。翅片管的制造工藝主要包括：軋制成型翅片管、高頻焊翅片管、鑄造翅片管、張力纏繞翅片管、鑲片管、YAG激光焊接翅片管。其中目前應(yīng)用最為廣泛的方案為軋制成型翅片管及高頻焊翅片管。

軋制成型翅片管采用軋輥軋制的方案，將管材直接成型為翅片管。由于管材及外部翅片的一體性，這種方法具有良好翅片的結(jié)合強度。但是由于其采用軋輥壓應(yīng)力在管材上的塑性變形來成型，因此其能夠生產(chǎn)的翅片管的翅片間距不能過小、翅片高度也不能過高，生產(chǎn)效率過低，尤其對于高強度的翅片管材料，成型困難。

高頻焊翅片管通過在管材及翅片之間施加高頻的電流，利用電流的集膚效應(yīng)在管材的近外表面及翅片的根部產(chǎn)生高溫焊接成型，具有很高的效率(焊接線速度)，但是對于高要求的翅片管，由于該方法的焊接熔深淺結(jié)合強度差(奧氏體不銹鋼焊接抗拉強度在170Mpa左右)，同時作為接觸焊的一種方法，焊接表面質(zhì)量差、雜質(zhì)多，容易產(chǎn)生焊接缺陷進而影響熱交換效率。

近年來在高質(zhì)量焊接翅片管的工藝研究過程中，出現(xiàn)了采用脈沖YAG激光器直接輸出(硬光路)的翅片管焊接方案，大大提高了翅片的焊接質(zhì)量，具有非常優(yōu)秀的焊接結(jié)合強度，但是存在YAG激光器光電轉(zhuǎn)換效率低(＜15％)的問題，導致單位焊接長度能耗所帶來的成本增加，焊接速度受限。同時采用硬光路，焊接設(shè)備的柔性差，不能滿足各種結(jié)構(gòu)規(guī)格的翅片管焊接。

因此，如何提供一種能夠高效穩(wěn)定的、適合大部分翅片管尺寸規(guī)格的高焊接質(zhì)量的翅片管翅片焊接方法一直是該領(lǐng)域最為關(guān)注的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖耦合半導體激光器的翅片管焊接方法，充分利用半導體激光器光電轉(zhuǎn)換效率高(約50％)的優(yōu)點，通過非接觸式的焊接方法及系統(tǒng)，在保證翅片表面焊接質(zhì)量、以及翅片與待焊接管材之間焊接熔深的同時，大大提高焊接效率，降低生成成本。并且，本發(fā)明采用光纖耦合半導體激光器作為光源，即軟光路的方式，可以顯著提高焊接的柔性，能夠完成各種復(fù)雜形狀的焊接過程，具有廣闊的市場前景。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種翅片管焊接方法，所述方法包括：清除翅片及待焊接管材表面的雜質(zhì)，并將所述翅片及待焊接管材安裝在夾持裝置上；將焊接頭連接在光纖耦合半導體激光器的光纖輸出端，設(shè)置所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接頭之間的距離；利用所述光纖耦合半導體激光器發(fā)射類高斯多模激光光束，將所述激光光束匯聚于所述翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接。

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頭之間的距離為10mm-80mm。

上述方案中，所述將激光光束匯聚于所述翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接，具體包括：將所述焊接頭與待焊接管材的軸向夾角設(shè)置為不大于88°，根據(jù)所述翅片與所述待焊接管材的厚度調(diào)節(jié)光斑直徑為0.6mm-2.0mm、以及焊接線速度為20mm/s-120mm/s，將所述光纖耦合半導體激光器發(fā)射的類高斯多模激光光束匯聚于所述翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接。

上述方案中，所述光纖耦合半導體激光器的輸出功率為600W-1400W，所述光纖耦合半導體激光器的波長為800nm-1100nm。

上述方案中，所述方法還包括：在進行焊接時，在翅片和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性氣體進行保護。

本發(fā)明還提供一種翅片管焊接系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：光纖耦合半導體激光器、夾持裝置、焊接頭；其中，所述光纖耦合半導體激光器，用于作為光源發(fā)射類高斯多模激光光束；所述夾持裝置，用于固定已清除表面雜質(zhì)的翅片及待焊接管材；所述光纖耦合半導體激光器具有光纖輸出端，所述焊接頭連接在所述光纖輸出端，用于焊接翅片管。

上述方案中，所述焊接頭，具體用于將所述光纖耦合半導體激光器發(fā)射的類高斯多模激光光束匯聚于所述翅片和待焊接管材的待焊接部位進行焊接。

上述方案中，所述光纖耦合半導體激光器的輸出功率為600W-1400W，所述光纖耦合半導體激光器的波長為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頭之間的距離為10mm-80mm，所述焊接頭與待焊接管材的軸向夾角不大于88°，所述光纖耦合半導體激光器發(fā)射激光光束的光斑直徑為0.6mm-2.0mm，焊接線速度為20mm/s-120mm/s。

上述方案中，所述系統(tǒng)還包括吹氣裝置、調(diào)速裝置；所述吹氣裝置，用于在進行焊接時，在翅片管和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性氣體進行保護；所述調(diào)速裝置與翅片管相連接，用于通過調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對焊接線速度的調(diào)整。

基于本發(fā)明提供的翅片管焊接方法，能夠至少達到以下有益技術(shù)效果：

1)基于半導體激光器的非接觸式焊接方法，大大提高了焊接質(zhì)量；惰性氣體的保護有效地促進了在焊接表面形成均勻且無氧化層的持續(xù)焊縫；

2)半導體激光器光電轉(zhuǎn)換效率高(約50％)，功率大，在連續(xù)出光模式下焊接效率高，大大提高了生產(chǎn)速度，降低了成本；

3)本發(fā)明所述的光纖耦合半導體激光器采用類高斯多模出光模式，能量密度集中，在金屬焊接中熔深較大，本發(fā)明提供技術(shù)方案的最大熔深可達到待焊接管材壁厚的80％；

4)光纖耦合式半導體激光器作為光源，具有更高的工藝適用性，能夠?qū)崿F(xiàn)最小翅片間距1.5mm的翅片管焊接，推廣前景比較廣闊。

附圖說明

圖1為翅片管的基本結(jié)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明翅片管焊接系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記說明：1為翅片管，2為光纖耦合半導體激光器，3為光纖，4為焊接頭，5為激光光束，6為焊接熔池。

具體實施方式

本發(fā)明的原理是：基于光纖耦合半導體激光器作為光源實現(xiàn)柔性焊接，以非接觸式的焊接方法，實現(xiàn)翅片與待焊接管材的高質(zhì)量焊接。

本發(fā)明所提供的翅片管焊接方法及系統(tǒng)能夠適應(yīng)于鐵、銅、鋁、鈦及其合金等材料的翅片管焊接。

以下通過具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

實施例一

翅片材料選擇316L不銹鋼，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料選擇316L不銹鋼，規(guī)格φ20×1.2mm，焊接過程包括以下步驟：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等雜質(zhì)，使所述翅片和待焊接管材表面呈現(xiàn)均勻的金屬光澤。

(2)將步驟(1)處理過的待焊接管材與翅片安裝到夾持裝置上，在所述光纖耦合半導體激光器光源的光纖輸出端連接焊接頭，將所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接頭之間的距離設(shè)置為25mm。

(3)根據(jù)所述翅片與所述待焊接管材的厚度，調(diào)節(jié)光纖耦合半導體激光器發(fā)出光斑的直徑以及焊接線速度等參數(shù)。

本實施例中，所述光斑直徑為0.8mm，所述焊接頭與待焊接管材的軸向夾角為80°；選擇光纖耦合半導體激光器的輸出功率為600W，設(shè)置焊接線速度為35mm/s，所述光纖耦合半導體激光器輸出波長為808nm，激光光束為類高斯多模。

所述翅片管通過卡盤等裝置與電機連接，通過改變電機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)翅片管移動速度的變化，進而改變翅片管的焊接線速度。

(4)按照上述設(shè)置好的參數(shù)，將光斑匯聚于所述翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接，并在焊接時，在待焊接部位吹入氮氣保護。

光纖耦合半導體激光器發(fā)出的類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勻的激光焊接熔池完成焊接。

實施例二

翅片材料選擇444不銹鋼，厚度0.5mm，高度5mm；待焊接管材材料選擇316L不銹鋼，規(guī)格φ20×1.2mm，焊接過程包括以下步驟：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等雜質(zhì)，使所述翅片和待焊接管材表面呈現(xiàn)均勻的金屬光澤。

(2)將步驟(1)處理過的待焊接管材與翅片安裝到夾持裝置上，在所述光纖耦合半導體激光器光源的光纖輸出端連接焊接頭，將所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接頭之間的距離設(shè)置為15mm。

(3)根據(jù)所述翅片與所述待焊接管材的厚度，調(diào)節(jié)光纖耦合半導體激光器發(fā)出光斑的直徑以及焊接線速度等參數(shù)。

本實施例中，所述光斑直徑為0.6mm，所述焊接頭與待焊接管材的軸向夾角為85°；選擇光纖耦合半導體激光器的輸出功率為1200W，設(shè)置焊接線速度為100mm/s，所述光纖耦合半導體激光器輸出波長為1055nm，激光光束為類高斯多模。

所述翅片管通過卡盤等裝置與電機連接，通過改變電機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)翅片管移動速度的變化，進而改變翅片管的焊接線速度。

(4)按照上述設(shè)置好的參數(shù)，將光斑匯聚于翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接，并在焊接時，在待焊接部位吹入氬氣保護。

光纖耦合半導體激光器發(fā)出的類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勻的激光焊接熔池完成焊接。

實施例三

翅片材料選擇雙相鈦合金TC4，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料選擇TC4，規(guī)格φ25×1.5mm，焊接過程包括以下步驟：

(1)清除翅片及待焊接管材表面的油污等雜質(zhì)，使所述翅片和待焊接管材表面呈現(xiàn)均勻的金屬光澤。

(2)將步驟(1)處理過的待焊接管材與翅片安裝到夾持裝置上，在所述光纖耦合半導體激光器光源的光纖輸出端連接焊接頭，將所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接頭之間的距離設(shè)置35mm。

(3)根據(jù)所述翅片與所述待焊接管材的厚度，調(diào)節(jié)光纖耦合半導體激光器發(fā)出光斑的直徑以及焊接線速度等參數(shù)。

本實施例中，所述光斑直徑為0.8mm，所述焊接頭與待焊接管材的軸向夾角為78°；選擇光纖耦合半導體激光器的輸出功率為1100W，設(shè)置焊接線速度為85mm/s，所述光纖耦合半導體激光器輸出波長為1064nm，激光光束為類高斯多模。

所述翅片管通過卡盤等裝置與電機連接，通過改變電機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)翅片管移動速度的變化，進而改變翅片管的焊接線速度。

(4)按照上述設(shè)置好的參數(shù)，將光斑匯聚于翅片與待焊接管材的待焊接部位進行焊接，并在焊接時，在待焊接部位吹入Ar：He＝80:20vol％的混合氣體保護。

光纖耦合半導體激光器發(fā)出的類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勻的激光焊接熔池完成焊接。

以下給出兩組其他焊接方法的對比例：

對比例一

翅片材料選擇316L不銹鋼，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料選擇316L不銹鋼，規(guī)格φ20×1.2mm，采用高頻焊方法。

焊接性能測試結(jié)果見表1。

對比例二

翅片材料選擇316L不銹鋼，厚度0.5mm，高度10mm；待焊接管材材料選擇316L不銹鋼，規(guī)格φ20×1.2mm，采用YAG脈沖激光方法。

焊接性能測試結(jié)果見表1。

表1 各實施例和對比例的焊接對比結(jié)果

由表1可以明顯看出，通過本發(fā)明實施例提供的基于光纖耦合半導體激光器作為光源的翅片管焊接方法，能夠達到非常顯著的焊接效果，具有較高的焊接質(zhì)量(焊著率在94％以上，實施例三的焊縫抗拉強度約為對比例二的2倍)。

進一步的，通過觀察表1中的數(shù)據(jù)我們可以得出：在翅片材料和待焊接管材材料均為316L的情況下，根據(jù)本發(fā)明焊接方法測試得到的各種焊接指標明顯優(yōu)于現(xiàn)有的焊接方法。

本發(fā)明還提供一種翅片管焊接系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：光纖耦合半導體激光器2、夾持裝置、焊接頭4；其中，所述光纖耦合半導體激光器2，用于作為光源發(fā)射類高斯多模激光光束5；所述夾持裝置，用于固定清除表面雜質(zhì)的翅片及待焊接管材；所述光纖耦合半導體激光器2具有光纖3輸出端，所述焊接頭4連接在所述光纖3輸出端，用于焊接翅片管。

所述光纖耦合半導體激光器具有電源控制系統(tǒng)及循環(huán)水冷系統(tǒng)。

進一步的，所述焊接頭4，具體用于將所述光纖耦合半導體激光器2發(fā)射的類高斯多模激光光束5匯聚于所述翅片和待焊接管材的待焊接部位進行焊接，見焊接熔池6。

具體的，所述光纖耦合半導體激光器2的輸出功率為600W-1400W，所述光纖耦合半導體激光器2的波長為800nm-1100nm。

所述翅片和待焊接管材的待焊接部位到所述焊接頭4之間的距離為10mm-80mm，所述焊接頭4與待焊接管材的軸向夾角調(diào)不大于88°，所述光纖耦合半導體激光器2發(fā)射激光光束5的光斑直徑為0.6mm-2.0mm，焊接線速度為20mm/s-120mm/s。

進一步的，所述翅片管焊接系統(tǒng)還可以包括吹氣裝置、調(diào)速裝置，所述吹氣裝置，用于在進行焊接時，在翅片管和待焊接管材的待焊接部位吹入惰性氣體進行保護。所述調(diào)速裝置與翅片管1相連接，用于通過調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對焊接線速度的調(diào)整。

具體的，所述調(diào)速裝置可以為一電機，所述翅片管通過卡盤等裝置與電機連接，通過改變電機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)翅片管移動速度的變化，進而改變翅片管1的焊接線速度。

所述惰性氣體可以包括但不限于：氮氣、氬氣、氦氣等，以及上述任意組合任意比例的混合氣體。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。