1. Introducción
La soldadura láser para placas de intercambiadores de calor combina técnicas de fabricación avanzadas con diseños estructurales innovadores, ampliamente utilizados en industrias como la industria ligera, el procesamiento químico y la producción de alimentos. Los intercambiadores de calor vienen en múltiples configuraciones, como carcasa y tubo, con revestimiento de panal, placa tubular, tipo cápsula, canal y formas prefabricadas. Entre estas, las placas con revestimiento de panal son especialmente apreciadas por su transferencia de calor eficiente, lo que las hace ideales para industrias como el petróleo, el procesamiento químico, los productos farmacéuticos y el procesamiento de alimentos, como se muestra en la Figura 1.1. Con una estructura de placa en capas superior e inferior, estas placas tienen una gran área de superficie, costuras densamente empaquetadas, alto número de costuras y estrictos requisitos de resistencia. El proceso de soldadura, debido a las costuras densas y numerosas, requiere mucho tiempo y estabilidad, como se muestra en la vista parcial de la Figura 1.2; los problemas durante la soldadura pueden dar lugar a desechos. Para obtener resultados óptimos, la soldadura debe producir costuras que sean lisas, libres de oxidación y bien protegidas. Este artículo examina métodos para mejorar la calidad de la soldadura y la estabilidad del proceso para estas placas intercambiadoras de calor de gran escala.
Figura 1.1 Recipiente intercambiador de calor
Figura 1.2 Trayectoria de la costura de soldadura (vista parcial)
2. Equipos de soldadura láser para placas de intercambiadores de calor de gran tamaño
El láser de fibra continua Han’s Laser 6000W se destaca en el procesamiento de alta eficiencia en una variedad de aplicaciones, que incluyen corte, corte tuberías, soldadura, tratamiento de superficies, impresión 3D y limpieza. Su alta eficiencia de conversión fotoeléctrica, amplio rango de frecuencia de modulación, fuerte antirreflectividad, estabilidad y mínimo mantenimiento lo convierten en una opción óptima para la fabricación industrial. En la fabricación de placas de intercambiadores de calor a gran escala, este láser fibra ha sido ampliamente adoptado para un procesamiento de alta calidad y alta eficiencia, particularmente cuando se combina con maquinaria automatizada.
Figura 2.1 Láser de 6000 W
3. Principales desafíos en la soldadura láser de placas de intercambiadores de calor a gran escala
La soldadura láser ofrece alta velocidad, penetración profunda y distorsión mínima, pero la alta densidad de energía de la soldadura de penetración profunda a menudo genera problemas. El intenso haz láser derrite y vaporiza el metal, lo que crea vapor de metal sobre el baño de fusión que puede interferir con el haz láser (consulte la Figura 3.1). Si no se controla, este vapor puede depositarse en la pieza de trabajo, lo que provoca contaminación visible y defectos de soldadura, como salpicaduras y socavaduras (consulte la Figura 3.2). Dadas las grandes dimensiones (hasta 10 m de largo y 2 m de ancho) y el amplio recuento de costuras (que a menudo supera las 10 000), es esencial lograr soldaduras de alta calidad para cada costura para mantener la integridad general de la soldadura. Además, mantener las costuras libres de oxidación es crucial para una soldadura de alta calidad, que requiere protección tanto en el baño de fusión como en la costura de enfriamiento.
Figura 3.1 Soldadura láser de fibra con vapor de metal
Figura 3.2 Contaminación, salpicaduras y oxidación de la soldadura
Para lograr una soldadura de alta calidad, es fundamental controlar tanto la difusión del vapor de metal como la protección de la costura. Esto implica garantizar una cobertura constante del gas de protección durante y después de la soldadura, lo que suele denominarse «protección retardada» de la costura.
4.Diseño del dispositivo de flujo de aire coaxial
La protección con gas desempeña un papel crucial en la calidad de la soldadura, ya que una protección eficaz puede reducir los defectos y mejorar la estabilidad. Este artículo analiza un dispositivo de flujo de aire dedicado diseñado específicamente para la soldadura con intercambiador de calor, optimizado mediante un software profesional para lograr tres resultados clave: un mejor control de la difusión del vapor para minimizar la contaminación de la superficie, una protección integral de las costuras para una soldadura de alta calidad y durabilidad.
A. Estructura del dispositivo
El dispositivo de flujo de aire coaxial, como se muestra en la Figura 4.1, consta de un anillo de cámara de gas, una placa de chorro, un bloque guía, una cubierta de cortina de gas, una boquilla de admisión y un soporte de montaje.
Figura 4.1 Estructura del dispositivo de flujo de aire coaxial
B. Principio de aplicación
El dispositivo de flujo de aire coaxial se monta sobre la pieza de trabajo, alineado con el rayo láser. Para obtener resultados óptimos, se recomienda una altura de 4 mm entre el dispositivo y la superficie de la pieza de trabajo. Una altura mayor debilita la protección, mientras que una altura menor supone un riesgo de colisión. El aire comprimido entra a través de la boquilla de cortina de gas, formando un flujo de aire de soplado transversal. Al mismo tiempo, la boquilla de gas protector dispensa gas de protección de soldadura a través de la placa de chorro para crear flujos de gas multidireccionales, incluido el flujo de control de humo, el flujo de escape descendente, el flujo de escape interno y el flujo de expansión. Juntos, estos flujos controlan la difusión del vapor de metal y proporcionan protección de las costuras.
C. Análisis del flujo de aire
Para visualizar el flujo de aire interno dentro del dispositivo coaxial, se realizó una simulación profesional con software. El enfoque se centró en la dirección del flujo de gas y la concentración de gas de protección, utilizando nitrógeno a 0,4 MPa, con una altura del dispositivo a la pieza de trabajo de 4 mm y un diámetro de boquilla de 2,5 mm. El modelo se ilustra en la Figura 4.2, y los resultados se muestran en las Figuras 4.3 y 4.4.
Figura 4.2 Modelo de análisis de flujo de aire del dispositivo de flujo de aire coaxial
En la Figura 4.3, las líneas de flujo de gas protector convergen en el baño de metal fundido y se difunden hacia arriba a través del canal láser, guiando el vapor de metal lejos de la superficie de la pieza de trabajo para evitar la contaminación.
Figura 4.3 Trayectoria del flujo de la velocidad del gas protector
La figura 4.4 muestra un mapa de concentración que indica una zona de gas de protección efectiva sin intrusión atmosférica, creando un área de protección de alta concentración expandida para una protección óptima de la costura.
Figura 4.4 Diagrama de distribución de componentes del flujo de gas protector
5. Prueba de aplicación de soldadura
El dispositivo de flujo de aire coaxial se instaló en el equipo soldadura láser, con parámetros optimizados, para probar la soldadura en una placa de intercambiador de calor de acero inoxidable de gran formato (9 m x 2 m, con placas superior e inferior de 1,2 mm de espesor). La prueba de soldadura (consulte la Figura 5.1) demostró excelentes resultados: no se observaron manchas de humo y las costuras estaban limpias y sin oxidación con superficies brillantes (consulte la Figura 5.2). La boquilla del dispositivo se fabricó con cobre duradero y, después de una soldadura completa de la placa, no mostró signos de desgaste ni obstrucción.
Figura 5.1 Efecto general de la soldadura
Figura 5.2 Comparación de las costuras de soldadura antes y después de la optimización del proceso
Luego de la soldadura, la placa fue sometida a una prueba de abombamiento presurizado, logrando la altura de abombamiento requerida sin separación de costuras, cumpliendo con todos los estándares de procesamiento (ver Figura 5.3).
Figura 5.3 Efecto de abultamiento después de la presurización
6. Conclusión
Al utilizar el láser de fibra continua Han’s Laser 6000W en combinación con el dispositivo de flujo de aire coaxial optimizado, se logró un proceso de soldadura limpio y de alta calidad para placas de intercambiadores de calor a gran escala. Las soldaduras resultantes fueron limpias, sin oxidación y de alta resistencia, cumpliendo con las especificaciones del cliente para aplicaciones de fabricación avanzadas.