阳极激光焊接改造系统实施方案

1、一、 改造背景：1.1行业背景烧碱和氯气是重要的化工基础原料，在我国的国民经济中占有重要的位置。离子膜电解槽是离子膜法制烧碱的关键装置。根据企业自身发展的需求，针对目前电解槽阴阳极网电阻点焊存在的质量问题，计划采用一种先进的焊接技术，替代现有的电阻焊接工艺，以提高生产效率和产品质量稳定性。针对电解槽阴阳极网的材料和结构，进行了激光焊接工艺试验研究，试验结果表明采用激光技术焊接电解槽阴阳极网是可行的。在此基础上，将从日本村田机械公司购置SL3015-36C数控激光切割机改造成离子膜电解槽阴阳极网激光焊接机。1.2可行性分析北京化工机械厂将要改造的SL3015-36C数控激光切割系统采用MITSU

2、BISHI公司生产的ML5036D型CO2激光器，功率为3600W，激光模式为TEM01。激光器光束模式通常用TEMmn表示，可分为三种类型：基模、低阶模和高阶模。m、n数值越小，模式的阶次越低，光束质量越好，其中TEM00为基模，光束质量最好。光束模式为基模或者低阶模的激光器可以用来切割和焊接。ML5036D型激光器光束模式为TEM01，属于低阶模激光光束，可以用来切割和焊接。针对电解槽阴阳极网同支撑条的焊接，我们进行了先期焊接可行性研究。电解槽支撑条的材料为纯钛，极网的材料为纯钛镀铱。焊接类型为搭接焊接。通过焊接试验，获得了成形良好的焊缝。进行电解槽阴阳极网焊接工艺试验研究所使用的激光器为

3、德国Rofin-Sinar公司生产的DC-035型CO2激光器，功率为3500W，激光模式为TEM00，焊接试验使用功率为1500W，焊接速度为3m/min。在相同的输入功率情况下，激光器聚焦光斑的大小决定了聚焦光斑后的功率密度。只要在功率密度达到一定数值，激光器才可以用来切割和焊接。如图1所示，激光光束经透镜聚焦后，其聚焦光斑直径如公式所述。虽然ML5036D型激光器的光束质量要比DC-035型激光器差大约一倍，但是可以通过合理的激光光束聚焦系统的设计，获得焊接所需要的聚焦光斑大小和功率密度。 图1 光束聚焦光斑特性示意图所以将SL3015-36C数控激光切割系统改造为离子膜电解槽阴阳极网激

4、光焊接系统，在激光器加工能力上和焊接工艺上，都是可行的。另外，SL3015-36C数控激光切割系统采用激光长号的等光路设计思想，有效的避免了飞行光束所拥有的焦点漂移特性对焊接质量稳定性的影响。这点在在大幅面激光焊接中尤其重要。离子膜电解槽的焊接幅面为2278mm×1155mm，属于大幅面激光焊接。如果没有等光程的光路设计，由于飞行光束焦点漂移的特性，必然引起焊接质量的不稳定。而SL3015-36C数控激光切割系统的等光程设计，确保了将其改造为激光焊接系统的可行性以及离子膜电解槽阳极网激光焊接的稳定性。（焦点漂移，飞行光束均可作为理论分析，也是亮点所在）二、改造原则：原系统购置的目的是

5、为了切割离子膜电解槽所用结构件，要求在改造为激光焊接设备后，在功能和结构上不影响到原数控激光切割机床系统，并可以完全恢复原有激光切割系统的功能。因此，设备改造的基本原则是充分利用原系统的机械结构、电气控制、通讯协议及功能操作。三、改造方案3.1 总体思路该项目是将电解槽阴阳极网同支撑条通过断续焊连接起来，支撑条的材料为纯钛，极网的材料为纯钛镀铱。在焊接接头类型上，支撑条及极网属于激光搭接焊，根据工艺要求，在焊接过程中，极网同支撑条之间不能有间隙，否则会造成两者不能完全焊合。所以在焊接过程中，应该使用压紧工装系统将二者压紧。压紧工装系统的设计有两种方案，一种是将工装系统预制在电解槽框架或者焊接工

6、作台上，工装对整张极网中各焊缝位置分别加压。这样方法的优点是可以保证极网同支撑板之间可以完全贴合；缺点是工装系统中每条焊缝的压力装置会在空间上占据Z轴的非常有限的结构空间和运行空间。另一种方法是将压紧工装系统安装在焊接头上，随着焊接过程的进行，动态地压紧焊接区。本项目选择第二种压紧方式，因为这种方法在设计上可以充分利用Z轴的运动，配合压力传感器的使用，做到压点准确，压力准确，体积小，重量轻。动态压紧的压力磙子要在保持对极网压力的情况下滚动，所以压力磙子对极网的压力不能过大，否则会造成极网的变形或者破损极网表面镀的铱层，必须采用压力传感装置。为了充分利用现有系统的功能，不更改原有切割机床控制系统

7、的运行，拟采用原系统的切割头高度调节跟踪功能来调节压力磙子对极网的压力。切割头高度调节跟踪系统可以很准确地反映切割工作头同参考平面之间的距离，从而可以很好的保证压力磙子同极网之间的压力。另外在与系统的通讯上，也不需要更改原有控制系统操作程序，从而在充分利用原有切割程序的情况下进行焊接。3.2改造主要内容根据焊接工艺的要求，该项目在结构上大体上分为以下五个主要内容：1）、焊接头及压紧系统改造。2）、电气控制系统改造。3）、焊接工作台改造。4）、系统安装调试。5）、焊接工艺及软件系统编制。3.3具体方案焊接头及压紧系统主要包括焊接工作头系统、压力磙子系统、高度调节系统、焊接排气系统四部分。主要包括

8、聚焦系统、冷却系统、横向气帘装置（cross jet）、光致等离子体控制及焊接熔池和高温焊缝保护喷嘴装置。聚焦系统主要有聚焦镜、安装定位装置组成。根据焊接工艺要求设计计算聚焦系统光学参数。在激光焊接过程中，反射光产生的热量很大，导致焊接头温度较高，所以需要对聚焦镜座体进行冷却。因为在激光焊接过程中，会产生飞溅物及焊接烟尘，如果不做处理，这些物质就会污染聚焦透镜。横向气帘装置可以在光路横截面上喷出超音速气流，有效的保护聚焦透镜不被污染。焊接光致等离子体是激光焊接的一大特点，如果不给予控制，光致等离子体会导致焊接过程的不稳定，所以需要用特殊的装置加以控制，保证激光焊接过程的稳定进行。此外，钛是一种

9、活泼金属，在高温条件下，钛及钛合金会与许多气体发生剧烈反应。在250°C时开始吸氢、400°C开始吸氧、600°C开始吸氮，并随温度升高，Ti吸收气体能力更强。钛及钛合金少量吸收这些气体后，气体原子将以间隙或置换的形式固溶在晶格中，改变材料的原始晶格排列，降低钛及钛合金的性能；随着时间的增加，气体以过饱和的形式存在，并易于形成晶间化合物，严重恶化材料的综合性能。 因此必须对焊接熔池及高温焊缝进行有效保护。包括滚轮压紧及运动系统，支撑及分离系统，焊接随动系统基准系统等。滚轮压紧及运动系统主要用来压紧极网同支撑条，保证两者紧密贴合。支撑及分离系统可以保证在Z轴下降的时

10、候，在随动控制系统起作用的时候，滚轮压紧极网时所给予极网的压力在压紧极网同支撑条的同时，对极网的压力和冲击力不会过大而导致极网产生变形。在Z轴升起的时候，既可以保证随动控制系统的切割头同高度调节参考面顺利分离，随动系统不会给予错误警告，又可以抬升压力磙子离开极网表面，保证焊接头顺利沿着 X方向移动。采用同原有焊接系统相同的焊接随动系统，该系统由PRECITEC公司供货，型号为AK HP2。针对焊接工艺及原系统切割头空间的特殊性，需要进行相应的调整来满足系统的要求。焊接过程产生的烟尘对人体健康有害，同时由于现有激光加工头空间狭窄，横向气帘装置吹出的超音速气流撞击柜壁的反冲气流干扰保护气

11、流，影响焊接质量，所以要通过专门的排气系统将其进行导出。焊接头系统示意图如图2所示： 图2： 焊接头系统示意图改进后的焊接系统，不改变原有操作和控制系统，还是通过原控制单元操作面板来操作和控制机床。焊接工艺同切割工艺相比，有很大的不同。在焊接电解槽电解极网中，要使用三种气体：压缩空气：气压4bar；氩气：气压0.2bar；氦气：气压0.2bar。 图3：系统气路管线接口面板图3为现系统气路管线接口面扳。接口1为辅助气体氧气接入口。接口2为辅助气体空气接入口。接口3为辅助气体氮气接入口。接口4为高压空气接入口。其中氧气、氮气气源可以由气瓶提供，通过电磁阀进行气体类型的转换。并且可以在控制单元调节

12、压力。在程序中，开接口1氧气对应命令为M32; 开接口2辅助空气对应命令为M33; 开接口3氮气对应命令为M34。所以在焊接过程中，可以将氩气和氦气气瓶经过减压表和流量计后，接入到接口1和3中。利用原系统中的压缩空气管路提供CROSS JET气源。如果在程序中，可以同时执行M32、M33、M34命令，就可以非常方便的通过焊接程序的编写控制焊接气体的关断。如果程序中不能同时执行M32、M33、M34命令，则可以通过增加相应的电磁阀及电气联动控制，做到按照焊接工艺的要求及时开，关氩气、氦气及CROSS JET用压缩空气。焊接工作台该焊接工作台主要在原有激光切割机床集装架交换装置的基础上，将两个切割

13、工作台更换为焊接工作台。焊接工艺对工作台平面度和稳定度的要求要高于切割工作台，另外电解槽的厚度会占据Z轴的运动行程和空间，所以不能用切割工作台顶齿来支撑焊接工作台。如果在原有切割工作台的基础上改进，则焊接工作台的设计、安装和调试会受到切割工作台原有设计思想的诸多限制，所以重新设计制造焊接工作台。原切割工作台幅面为3200mm*1740mm，焊接工件的尺寸为2700mm*1400mm（去掉两侧螺纹连接的把手），原集装架交换装置允许台面高度为230mm（以切割工作台支撑方钢底面为起零点），焊接工件高度为60mm，所以用原切割工作台的外形作为焊接工作台的外框尺寸，可以满足工艺要求及交换台的安装运动要

14、求。焊接工作台主体外框为方钢焊接结构，在X轴方向两侧加支撑板条，底面加支撑板条，底面支撑板条同侧面支撑板条之间连接加强筋，使之成为刚性结构体。通过外壳框体同交换台连接。在焊接工作台上安装四个支撑面，用来支撑电解槽框体。该四个支撑面在高度方向可以进行调节，保证电解槽安装就位基本水平。在焊接工作台上安装焊接工件的基准定位面和装夹装置，保证焊接工件的安装一致性及焊接过程中的稳定性，保证焊接工作的一致性。利用焊接工件的原有外形特点，在焊接工作台面上预留吊装及搬运空间，便于更换工件。在使用焊接工作台的情况下，原集装架交换装置中的顶起系统要停止使用。设计上保证焊接工作台上电解极网的高度不超过切割工作台支撑

15、齿条的齿尖高度，焊接工作台底部不低于原切割工作台底部，保证在集装架交换工作的时候，不会发生电解极网同机床床身及集装架交换装置发生干涉的现象。为了保证整体焊接结构不发生变形，整体进行去应力回火处理。图4：焊接工作台示意图在系统设计过程中，需要进行Z轴系统的模拟试验。在设计过程中，需增加试验用系统的设计及相应工装系统的设计、加工、安装。在完成组装各个功能部件之后，需要对系统整体进行安装调试。通过系统运行来检测各个功能部件是否达到设计要求，进而在功能和结构上完善各个功能部件的设计。在设备改造完成之后，需要进行焊接工艺的试验，确定最佳的工艺参数。四、焊接工艺流程及程序编制针对激光焊接的特点，以及保证焊

16、接过程可靠稳定的要求，保障安全高效率的焊接生产，初步制定如下的焊接工序。由于工件形状和尺寸的要求，焊接只能沿Y轴方向进行焊接。由于是断续焊接，为了提高效率，在完成单道焊缝焊接时，Z轴不抬起，而是沿Y方向运动到下一条焊缝的起点，进行焊接，以此类推，直到单排焊缝完成。在完成单排焊缝焊接时，Z轴抬起，焊接头运动到下一排支撑条的Y轴起始点位置，如上所述，完成此排焊接工作。以此类推，直到完成整个电解槽阴阳极网的焊接工作。图5为焊接工序流程框图。 焊接头运动到起始原点焊接头运动到单排焊接起始点Z轴下降，压力磙子压紧焊网焊接头运动到焊缝焊接起点开焊接气体及CROSS JET保护气开光关光焊接关闭焊接气体及CROSS JET保