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1、 化工机械厂离子膜电解槽阴阳极网激光焊接设备改造实施方案一、 改造背景：1.1 行业背景烧碱和氯气是重要的化工根底原料，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。依据企业自身进展的需求，针对目前电解槽阴阳极网电阻点焊存在的质量问题，打算承受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构造，进展了激光焊接工艺试验争辩，试验结果说明承受激光技术焊接电解槽阴阳极网是可行的。在此根底上，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
2、厂将要改造的 SL3015-36C 数控激光切割系统承受MITSUBISHI 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，我们进展了先期焊接可行性争辩。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
3、接焊接。通过焊接试验，获得了成形良好的焊缝。进展电解槽阴阳极网焊接工艺试验争辩所使用的激光器为德国 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。在一样的输入功率状况下，激光器聚焦光斑的大小打算了聚焦光斑后的功率密度。只要在功率密度到达肯定数值，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10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
4、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光焊接系统，在激光器加工力量上和焊接工艺上，都是可行的。另外，SL3015-36C 数控激光切割系统承受激光长号的等光路设计思想，有效的避开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 2278mm1155mm， 属于大幅面激光焊接。假设没有等光程的光路设计，由于飞行光束焦点漂移的特性，必定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
5、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为了切割离子膜电解槽所用构造件，要求在改造为激光焊接设备后，在功能和构造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，设备改造的根本原则是充分利用原系统的机械构造、电气把握、通讯协议及功能操作。三、改造方案3.1 总体思路该工程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，依据工艺要求，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
6、以在焊接过程中，应当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 轴的格外有限的构造空间和运行空间。另一种方法是将压紧工装系统安装在焊接头上，随着焊接过程的进展，动态地压紧焊接区。本工程选择其次种压紧方式，由于这种方法在设计上可以充分利用 Z 轴的运动，协作压力传感器的使用，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状况下滚动，所以压力磙子对极网的压力不能
7、过大，否则会造成极网的变形或者破损极网外表镀的铱层，必需承受压力传感装置。为了充分利用现有系统的功能，不更改原有切割机床把握系统的运行，拟承受原系统的切割头高度调整跟踪功能来调整压力磙子对极网的压力。切割头高度调整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，也不需要更改原有把握系统操作程序，从而在充分利用原有切割程序的状况下进展焊接。3.2 改造主要内容依据焊接工艺的要求，该工程在构造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） 、电气把握系统改造。3） 、焊接工作台改造。4） 、系统安装调试。5
8、） 、焊接工艺及软件系统编制。3.3 具体方案3.3.1 焊接头及压紧系统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、高度调整系统、焊接排气系统四局部。3.3.1.1 焊接工作头系统主要包括聚焦系统、冷却系统、横向气帘装置cross jet、光致等离子体把握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。依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展冷却。由于在激光焊接过程中，会产生飞溅物及焊接烟尘，假设不做处理，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
9、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，假设不赐予把握，光致等离子体会导致焊接过程的不稳定，所以需要用特别的装置加以把握，保证激光焊接过程的稳定进展。此外，钛是一种活泼金属，在高温条件下，钛及钛合金会与很多气体发生猛烈反响。在250C 时开头吸氢、400C 开头吸氧、600C 开头吸氮， 并随温度上升，Ti 吸取气体力量更强。钛及钛合金少量吸取这些气体后，气体原子将以间隙或置换的形式固溶在晶格中，转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，严峻恶化材料的综合性能。 因此必需对焊接熔池及高温焊缝进展有
10、效保护。3.3.1.2 压力滚轮系统包括滚轮压紧及运动系统，支撑及分别系统，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，保证两者严密贴合。支撑及分别系统可以保证在 Z 轴下降的时候，在随动把握系统起作用的时候，滚轮压紧极网时所赐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，既可以保证随动把握系统的切割头同高度调整参考面顺当分别，随动系统不会赐予错误警告，又可以抬升压力磙子离开极网外表，保证焊接头顺当沿着 X 方向移动。3.3.1.3 高度调整系统承受同原有焊接系统一样的焊接随动系统，该系统由 PRECITEC
11、 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别性，需要进展相应的调整来满足系统的要求。3.3.1.4 焊接排气系统焊接过程产生的烟尘对人体安康有害，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流，影响焊接质量，所以要通过特地的排气系统将其进展导出。焊接头系统示意图如图 2 所示：图 2： 焊接头系统示意图3.3.2 电气把握系统改进后的焊接系统，不转变原有操作和把握系统，还是通过原把握单元操作面板来操作和把握机床。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
12、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 为关心气体氧气接入口。接口 2 为关心气体空气接入口。接口 3 为关心气体氮气接入口。接口 4 为高压空气接入口。其中氧气、氮气气源可以由气瓶供给，通过电磁阀进展气体类型的转换。并且可以在把握单元调整压力。在程序中，开接口 1 氧气对应命令为 M32; 开接口 2 关心空气对应命令为 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供给 CROSS JET 气源。假设在程序中
13、，可以同时执行 M32、M33、M34 命令，就可以格外便利的通过焊接程序的编写把握焊接气体的关断。假设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把握，做到依据焊接工艺的要求准时开，关氩气、氦气及 CROSS JET 用压缩空气。3.3.3 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根底上，将两个切割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。假设在原有切割工作台的根底上改进，则焊接工作台的设计、安装和调试会受
14、到切割工作台原有设计思想的诸多限制，所以重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求。焊接工作台主体外框为方钢焊接构造，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，使之成为刚性构造体。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
15、，用来支撑电解槽框体。该四个支撑面在高度方向可以进展调整，保证电解槽安装就位根本水平。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全都性及焊接过程中的稳定性，保证焊接工作的全都性。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状况下，原集装架交换装置中的顶起系统要停顿使用。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预的现象。为了保证整体焊接构造不发生变形， 整体进展去应力回火处理
16、。图 4：焊接工作台示意图3.3.4 系统安装调试在系统设计过程中，需要进展 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，需要对系统整体进展安装调试。通过系统运行来检测各个功能部件是否到达设计要求，进而在功能和构造上完善各个功能部件的设计。3.3.5 焊接工艺在设备改造完成之后，需要进展焊接工艺的试验，确定最正确的工艺参数。四、焊接工艺流程及程序编制针对激光焊接的特点，以及保证焊接过程牢靠稳定的要求，保障安全高效率的焊接生产，初步制定如下的焊接工序。由于工件外形和尺寸的要求，焊接只能沿 Y 轴方向进展焊接。由于是断续焊
17、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，进展焊接，以此类推，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 保护气开光焊接关光关闭焊接气体及CROSS JET 保护气否是否单排完成是Z 轴升起, 压力磙子升起否是否全部完成是焊接头回到起始原点直到单排焊缝完成。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。图 5：焊接工序流程框图五 、焊接气体消耗本钱估算氦气和氩气作为激光焊接关心气体，起到稳定焊接过程及保护焊缝的作用。激光切割时消耗关心气体为氮气和氧气，激光焊接时消耗关心气体主要为氦气和氩气。激光焊接电解槽阴阳极网的关心气体消耗为：氦气为 10L/min；氩气为10L/min。以焊接速度 2m/min 保守计算，消耗的关心气体费用大约为 0.8 元/米焊缝。注：氦气及氩气为瓶装气体，容积为 6M3。氦气：800 元/瓶；氩气：80 元/瓶。