一種循環水冷卻系統及焊接頭保護氣裝置的應用

陸 璟，黎森文，歐芝清，游新亮

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

1 激光焊接的原理及特點

1.1 光纖激光器焊接的原理

光纖激光器光束是由輸入的三相電進入激光器主電源，轉換成60 VDC～75 VDC 的直流電，為泵浦激光二極管供電，泵浦激光二極管輸出980 nm 的泵浦光，泵浦光通過光纖耦合到有源光纖中，有源光纖摻雜了稀土元素鐿離子Yb，鐿離子Yb 吸收980 nm的泵浦光，其內層電子被激發到外層，外層電子不穩定，會落回內層，期間產生1 070 nm 的光子，光子在光纖內被兩個反射器件持續反射增強，形成激光輸出，如圖1 所示。

圖1 光纖激光器激光產生原理圖

激光焊接則是利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區域的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料的內部擴散，將材料熔化后形成特定的熔池。焊接時，將激光器發射的高功率密度（108～1012 W/cm2）的激光束聚縮成聚焦光束，以此轟擊工件表面，產生熱能，熔化工件，如圖2 所示。

圖2 激光焊接原理

激光束是具有單一頻率的相干光束，在發射中不產生發散，可用透鏡聚縮為一定大小的焦點（0.076～0.8 mm）。小焦點激光束可用于焊接、切割、打孔；大焦點激光束可用于材料表面熱處理及清洗等。光纖激光器則是利用光導纖維來引導激光束，增加了焊接的靈活性[1]。

1.2 光纖激光焊接的特點

（1）光纖傳輸激光焊接機選配CCD 攝像監視系統，方便觀察和精確定位。

（2）光纖傳輸激光焊接機焊斑能量分布均勻，具有焊接特性所需要的最佳光斑。

（3）光纖傳輸激光焊接機適應各種復雜焊縫，各種器件的點焊，以及1 mm 以內薄板的縫焊。

（4）光纖傳輸激光焊接機采用英國進口陶瓷聚光腔體，耐腐蝕、耐高溫，腔體壽命（8～ 10）年，氙燈壽命800 萬次以上。

（5）可定制專用的自動化工裝夾具，實現產品的批量生產。

2 光纖激光器焊接的應用及工藝

光纖激光器焊接應用于光通信器件、IT、醫療、電子、電池、光纖耦合器件、顯像管電子槍、金屬零件、手機振動馬達、鐘表精密零件、汽車鋼片等的精密焊接。如，在電子工業就得到了廣泛的應用。

因為激光焊接熱影響區小，加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片厚度在0.05～0.1 mm，采用傳統焊接方法很難解決，TIG 焊容易焊穿，等離子穩定性不好，影響因素多而采用激光焊接效果很好，受到廣泛地應用。

3 保護氣體對激光焊接的作用及吹入方式

3.1 保護氣體對激光焊接的作用

在激光焊接中，保護氣體會影響焊縫成型、焊縫質量、焊縫熔深及熔寬等，在極大多數情況下，吹入保護氣體會對焊縫產生有利作用：

1）正確地吹入保護氣體會有效保護焊縫熔池減少氧化，甚至避免被氧化；

2）正確地吹入保護氣體可以有效減小焊接過程中產生的飛濺，起到保護聚焦鏡或者保護鏡的作用；

3）正確地吹入保護氣體可以促使焊縫熔池凝固時均勻鋪展，使得焊縫成型均勻美觀；

4）正確地吹入保護氣體可以有效減小金屬蒸汽羽或者等離子云對激光的屏蔽作用，讓到達工件表面的激光能量增大，增大激光的有效利用率；

5）正確與吹入保護氣體可以有效減少焊縫氣孔。

3.2 保護氣體的吹入方式

保護氣體的吹入方式目前主要有兩種：一種是旁軸側吹保護氣體，如圖3 所示；另一種是同軸保護氣體，如圖4 所示。兩種吹入方式具體該怎么選擇是多方面綜合考慮的，一般情況下建議采用側吹保護氣體的方式。

圖3 旁軸側吹保護氣

圖4 同軸保護氣

保護氣體吹入方式選擇原則：直線焊縫用旁軸好，平面封閉圖形用同軸好。

首先需要明確的是，所謂的焊縫被“氧化”僅是一種俗稱，理論上是指焊縫與空氣中有害成分發生化學反應導致焊縫質量變差，常見是焊縫金屬在一定溫度下與空氣中的氧、氮、氫等發生化學反應。

防止焊縫被“氧化”就是減少或者避免這類有害成分與高溫狀態下的焊縫金屬接觸，這種高溫狀態不僅僅是熔化的熔池金屬，而是從焊縫金屬被熔化時一直到熔池金屬凝固并且其溫度降低至一定溫度以下整個時間段過程。例如鈦合金焊接，當溫度在300 ℃以上時能快速吸氫，450 ℃以上時能快速吸氧，600 ℃以上時能快速吸氮，所以鈦合金焊縫在凝固后并且溫度降低至300 ℃以下這個階段內均需受到有效的保護效果，否則就會被“氧化”。

從上述描述不難理解，吹入的保護氣體不僅需要適時對焊縫熔池進行保護，還需要對已經焊接過的剛剛凝固的區域進行保護，所以一般均采用圖3所示的旁軸側吹保護氣體，因為這種方式的保護方式相對于圖4 中的同軸保護方式的保護范圍更廣泛，尤其是對焊縫剛剛凝固的區域有較好的保護。

旁軸側吹對于工程應用來說，不是所有的產品都能夠采用旁軸側吹保護氣體的方式，對于某些具體的產品，只能采用同軸保護氣體，具體需要從產品結構以及接頭形式進行有針對性的選擇。

（1）直線焊縫

如圖5 所示，產品的焊縫形狀為直線狀，接頭形式為對接接頭、搭接接頭、陰角角縫接頭或者疊焊接頭均可，此類型的產品均是采用圖3 所示的旁軸側吹保護氣體方式為佳。

圖5 直線狀焊縫

（2）平面封閉圖形焊縫

如圖6 所示，產品的焊縫形狀為平面圓周狀、平面多邊形狀、平面多段線狀等封閉型圖形，接頭形式為對接接頭、搭接接頭、疊焊接頭等均可，此類型產品均是采用圖4 所示的同軸保護氣體方式為佳。

圖6 平面封閉狀焊縫

4 循環水冷卻對同軸保護氣裝置的保護

4.1 循環水冷卻的作用

由于激光在焊接應用的過程中會產生大量的熱量，所以對保護氣裝置的有效保護也是影響工作效率的一個關鍵因素。目前常用的冷卻方式有2 種：氣體冷卻和液體冷卻。由于氣體冷卻的工作方式和冷卻效果不適用于激光焊接，所以這里著重考慮液體冷卻。

液體冷卻是一種用冷卻劑流過或環繞某個系統來防止該系統過熱的流體，它通過將該系統產生的熱量傳導到其他的系統來使用或消耗熱量。常用的有輕水、重水和液態金屬鈉。理想的冷卻劑具有高熱容量、低黏度、廉價、無毒、化學惰性、無腐蝕性又不促進腐蝕。基于成本及維護考慮，選擇輕水這一液體作為冷卻劑。

4.2 循環水冷卻對同軸保護氣裝置的保護

如圖7 所示，由于在激光焊接過程中工件表面反射的氣體和弧光溫度過高，會對保護氣裝置造成不可逆轉的破壞，即便保護氣裝置本身都采用金屬或陶瓷等耐高溫材料，久而久之也無法保存完好，特別是與之相連接的氣路管材。

圖7 高溫對保護氣裝置影響示意

保護氣裝置與氣體源是用軟氣管來連接的，這種軟氣管的材料大多是PVC 聚氯乙烯。而它的熔點范圍只有130 ℃～145 ℃，當反射的氣體和弧光對保護氣裝置本身傳導熱量時，熱量也會相應的傳導至氣管。在大型工件焊接時，由于焊接時間長及溫度高，往往在保護氣裝置沒有得到充分冷卻時，又開始循環工作，非常影響保護氣裝置和軟氣管的使用壽命，更可能會在焊接的過程中導致軟氣管熔化而漏氣，影響焊縫質量。

為解決這一問題，采用環繞式循環水冷卻裝置作為同軸保護氣裝置的主體部分。因此采用循環水冷卻能有效地延緩保護氣裝置的使用壽命，在連續焊接過程中更是極大地提高了其工作效率。如圖8所示。

圖8 環繞式循環水冷卻裝置示意

此裝置是利用了直徑不等的銅管通過彎曲一定的弧度，壓緊并焊接而成。在工作時，冷卻劑通過冷卻裝置從銅管的一端進入，另一端返回到冷卻裝置，通過物理和化學等方式將冷卻劑進行冷卻。由于此過程一直在循環，不管焊接設備是否工作，冷卻劑都會通過既定路徑將焊接過程中產生的熱量帶走，起到保護作用[2]。

并且此種類型的水冷保護裝置相較于市面上其它的保護裝置還有許多優點：

（1）加工簡單，單純的利用銅管的柔性通過折彎、點焊、攻絲就能安裝使用了。

（2）節約成本，此款水冷裝置加工精度低，不需要上銑床，鉆床等加工設備。在造價上不到其它產品的十分之一。

（3）效率高，同等質量的水冷裝置往往作用只在焊接頭底部的一小片區域，而此產品整體圍繞在保護氣裝置周身，換熱量更高、更快。

5 結語

激光焊接作為一種工業應用的趨勢，其配套產品也必將逐步完善。不斷改進、完善各種配件和機構，使其在各種領域中發揮出更大的作用是我們工業人應盡之責。本文通過利用銅管加工后作為冷卻劑載體達到散熱的目的，還有相關材料及化工原理未做考慮。主要工作原理參考銅管對流散熱器及列管散熱器。