高頻焊鋁合金冷凝器集流管線能量的研究

曹國(guó)富， 曹麗珠

（南京凱博勒教育咨詢有限公司，江蘇 南京 210008）

冷凝器集流管的制備工藝為：首先，用復(fù)合鋁合金帶通過焊管成型機(jī)組成型為開口圓管筒，然后經(jīng)高頻焊接制備而成，廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)、家用空調(diào)等領(lǐng)域。十萬量級(jí)不泄漏是鋁合金冷凝器行業(yè)的基本要求，百萬量級(jí)不泄漏是鋁合金冷凝器集流管（以下簡(jiǎn)稱集流管）生產(chǎn)者追逐的目標(biāo)，由此可見集流管焊接要求之嚴(yán)苛。然而，仍有關(guān)于高頻焊接集流管焊縫泄漏的報(bào)道，故本文擬從綜合反映焊接電流、焊接電壓與焊接速度關(guān)系密切的焊接線能量入手，嘗試建立與焊接不同規(guī)格集流管相匹配的線能量模型，以期實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定集流管的焊接，確保焊縫的可靠性。

1 用線能量穩(wěn)定集流管焊接的可行性

1.1 高頻焊接鋁管用焊接線能量的內(nèi)涵

高頻直縫焊接鋁管用焊接線能量是指，由高頻電功率轉(zhuǎn)換的、供焊接單位長(zhǎng)度鋁焊縫的熱量，定義為[1]：

式中：I為高頻電流；U為與高頻電流相匹配的電壓；ν為焊接速度；q為焊接線能量（為了與本文的無量綱線能量qw相區(qū)別，以下稱單位“J·mm-1”的線能量為標(biāo)準(zhǔn)線能量qb）；η為電能轉(zhuǎn)換成焊接熱能的效率，當(dāng)鋁焊管規(guī)格、磁棒、感應(yīng)卷、焊接壓力等工藝參數(shù)確定之后，認(rèn)為η不再變化，為便于討論分析，本文中取1。

由式（1）可知，高頻焊接線能量綜合反映了高頻電流、電壓和焊接速度這3個(gè)主要焊接工藝參數(shù)對(duì)鋁管焊縫性能的影響。基于鋁合金焊接接頭易軟化、強(qiáng)度系數(shù)低、焊接溫度范圍窄的特點(diǎn)，若焊接線能量過高，輕則造成焊縫晶粒粗大、出現(xiàn)復(fù)熔組織，重則導(dǎo)致焊縫難成型、易穿孔、甚致泄漏；反之，由于鋁合金熱導(dǎo)率大，若焊接線能量不足，焊縫極易產(chǎn)生冷焊、氧化物夾雜、微裂紋等焊接缺陷[2]。可見，焊接線能量對(duì)鋁焊管焊縫品質(zhì)有著舉足輕重的作用。

1.2 實(shí)際焊接工藝參數(shù)的支持

理論上講，當(dāng)成型管筒狀態(tài)和焊接壓力等確定之后，焊接單位長(zhǎng)度焊管所需要的焊接熱量為定值，而且只有為定值，焊縫強(qiáng)度才有保障。實(shí)際焊接工藝參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示，相同規(guī)格的集流管，盡管焊接速度有別，盡管操作者不同，但是，實(shí)際施加的焊接線能量差別卻不大，以φ25 mm×（1.15～2.10 mm）集流管為例，參見表1～表6。

表1 φ25 mm×1.15 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.1 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.15 mm

1.2.1 兩種線能量的解讀

圖1是根據(jù)表1中的標(biāo)準(zhǔn)焊接線能量和無量鋼焊接線能量繪制而成，雖然它們的計(jì)算口徑不同、數(shù)值不同，但是兩條折線所反映的工藝參數(shù)波動(dòng)規(guī)律高度一致；不僅如此，從表2～表6中的線能量與焊接速度關(guān)系圖（圖略）看，它們所反映的特征都與圖1類似，說明兩種計(jì)算線能量的方法都可行。區(qū)別在于：前者的計(jì)算口徑與式（1）完全一致，數(shù)值接近真實(shí)，適合理論研究；后者只是套用，數(shù)值并不反映真實(shí)，只能供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速比較。但是，由于計(jì)算數(shù)據(jù)可直接從設(shè)備顯示屏上獲得，不需要繁瑣換算，方法簡(jiǎn)便，因而更適合操作者即時(shí)檢查與糾偏，對(duì)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)性指導(dǎo)意義更大。

圖1 實(shí)錄φ25 mm×1.15 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管焊接線能量與焊接速度圖Fig.1 Variation of heat input with welding speed for the high-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.15 mm

表2 φ25 mm×1.25 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.2 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.25 mm

表3 φ25 mm×1.3 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.3 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.3 mm

表4 φ25 mm×1.5 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.4 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.5 mm

表5 φ25 mm×1.8 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.5 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.8 mm

表6 φ25 mm×2.1 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管Tab.6 High-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×2.1 mm

1.2.2 相同外徑不同壁厚焊管線能量與壁厚存在強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系

將表1～表6中關(guān)于線能量的數(shù)值與對(duì)應(yīng)壁厚繪制到圖2上。圖2中顯示，無論是標(biāo)準(zhǔn)線能量點(diǎn)，還是無量綱線能量點(diǎn)，都分布在各自的“一條斜率為a的直線”周圍。那么，倘若根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法能夠建立關(guān)于這條直線的模型，操作者就能依據(jù)模型對(duì)號(hào)入座，對(duì)同一外徑、不同壁厚的待焊開口鋁管筒施加相應(yīng)的焊接線能量，達(dá)成“恒定”焊接線能量，進(jìn)而穩(wěn)定焊接的目的[3]。

1.3 相同規(guī)格焊管實(shí)用線能量波動(dòng)小

縱觀表1～表6中的線能量，在焊管規(guī)格相同的情況下，雖然生產(chǎn)周期、操作者、焊接速度、管坯性能等不盡相同，可是高頻焊機(jī)輸出的焊接線能量卻都在一個(gè)較窄范圍內(nèi)波動(dòng)，參見圖1。從生產(chǎn)實(shí)踐看，這些小波動(dòng)雖然不會(huì)對(duì)焊縫品質(zhì)產(chǎn)生致命影響，但是存在不同程度的影響。表1～表6中數(shù)據(jù)只是出現(xiàn)頻率最多的前10組，實(shí)際數(shù)值偏差遠(yuǎn)不止這些，有的甚至影響焊縫質(zhì)量。

圖2 實(shí)錄φ25 mm×(1.15～2.1 mm)高頻焊接鋁合金冷凝器集流管焊接線能量與璧管厚度相關(guān)圖Fig. 2 Variation of heat input with wall thickness for the high-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×(1.15-2.1 mm)collector tube

因此，通過對(duì)波動(dòng)數(shù)據(jù)的分析、比較、理性干涉，結(jié)合圖表所反映的特征和相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，有理由相信能找到一個(gè)適合焊接φ25 mm×（1.15～2.1 mm）冷凝器集流管用的線能量模型，并規(guī)范成工藝文件，進(jìn)而避免焊接線能量因個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、情緒、癖好不同所引起的波動(dòng)，操作者只需按線能量模型輸入焊接熱量即可[4]。

2 建立適合焊接鋁管用線能量模型

包括選擇模型、建立模型和驗(yàn)證模型3個(gè)方面內(nèi)容。

2.1 選擇線能量模型

從圖 2可以看出，φ25 mm×（1.15～2.10 mm）冷凝器集流管焊接線能量與管壁厚度的交點(diǎn)大致成線性關(guān)系，故，可用直線回歸方程來表示線能量與管壁厚度變化的函數(shù)關(guān)系：

式中：t為管壁厚度；q為焊接線能量；a，b為待定系數(shù)。由式（3）定義：

在式（3）中，ti，qi和 n 均已知，顯然，待定系數(shù) a，b可解。于是，焊接線能量問題轉(zhuǎn)變成求解二元函數(shù)的問題，只要能確定a，b值，就能確定高頻焊接集流管線能量與管壁厚度的關(guān)系。

2.2 建立模型

第一步：將表1至表6中的線能量平均值與管壁厚度匯集到表7中。

第二步：根據(jù)選擇的模型和式（3），設(shè)計(jì)計(jì)算表8，同時(shí)解得待定系數(shù)a，b的值。

表7 線能量平均值與管壁厚度對(duì)照表Tab.7 Comparison between average heat input and wall thickness

表8 式（3）計(jì)算表Tab.8 Calculated table based on formula （3）

第三步：確定模型。將表8中的a，b分別代入式（2）得：

則，式（4）就是關(guān)于式（2）的高頻焊接集流管線能量模型。

2.3 驗(yàn)證模型

2.3.1 與回歸直線方程式特點(diǎn)相符

驗(yàn)證結(jié)果說明，上述兩坐標(biāo)點(diǎn)（1.517,25.59）和（1.517,15.36）確實(shí)在各自的回歸直線上，見圖2。

2.3.2 與實(shí)用線能量的比較

（1）與無量綱實(shí)用焊接線能量的比較。從表9可知，模型給出的線能量與實(shí)際施加的線能量最大偏差不超過2.3%，最小僅為0.3%，工序質(zhì)量檢測(cè)和焊縫金相檢查均證明，焊接線能量的小幅度波動(dòng)不會(huì)引起集流管焊縫泄漏。

表9 無量綱實(shí)用線能量 與模型線能量的比較表Tab.9 Comparison between dimensionless utility heat input and model heat input

t/mm 1.15 1.25 1.3 1.5 1.8 2.117.51 19.72 20.82 25.23 31.83 38.44 17.93 19.58 20.75 24.93 31.68 38.680.42 0.14 0.07 0.27 0.15 0.24 2.3 0.7 0.3 1.1 0.5 0.60.1764 0.0196 0.0049 0.0729 0.0225 0.0576

（2）與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用焊接線能量的比較。從表10可知，模型給出的標(biāo)準(zhǔn)線能量與實(shí)際施加的標(biāo)準(zhǔn)線能量最大偏差與表9相同，說明兩種計(jì)量線能量的方法等價(jià)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完全可以用無量綱表示的焊接線能量指導(dǎo)焊管生產(chǎn)。

表10 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用線能量 與模型線能量的比較表Tab.10 Comparison between standard utility line energy and model line energy

t/mm 1.15 1.25 1.30 1.5 1.8 2.1/(J·mm-1) 10.51 11.83 12.49 15.14 19.11 23.08/(J·mm-1) 10.76 11.75 12.45 14.96 19.01 23.23(J·mm-1) 0.25 0.08 0.04 0.18 0.10 0.15 2.3% 0.7% 0.3% 1.1% 0.5% 0.6%

2.3.3 相關(guān)系數(shù)

通過相關(guān)分析和相關(guān)系數(shù)，能夠說明式(4)中的焊接線能量與管壁厚度之間的聯(lián)系緊密程度、聯(lián)系方向以及置信度。

那么，式（9）就是最終要確定的關(guān)于高頻焊接φ25 mm×t集流管用焊接線能量模型。

（2）模型相關(guān)系數(shù)r表示為：

3 研究高頻焊接鋁管線能量的意義

3.1 促進(jìn)集流管穩(wěn)定焊接

根據(jù)模型給出的線能量，反過來繪制焊接功率與焊接速度對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖3，或者對(duì)照表11，并固化成工藝文件，供操作者嚴(yán)格執(zhí)行，從而更好地規(guī)范焊接工藝[6]。

圖3 φ25 mm×1.15 mm高頻焊接鋁合金冷凝器集流管焊接熱量(功率)與焊接速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Variation of welding heat (power) with welding speed for the high-frequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×1.15 mm collector tube

一年多的生產(chǎn)實(shí)踐表明，操作者按表11施加焊接線能量，焊縫性能的穩(wěn)定性顯著提高。焊縫離線探傷合格率從99.02%提高到99.97%，擴(kuò)口、壓扁等破壞性試驗(yàn)的合格率提高了1.3%，用戶對(duì)我司產(chǎn)φ25 mm×（1.15～2.1 mm）高頻焊接冷凝器集流管焊縫不泄漏的滿意度從85%躍升至95%。

表11 φ25 mm×（1.15～2.10 mm）高頻焊接鋁合金冷凝器集流管焊接熱量（功率）—焊接速度對(duì)照表Tab.11 Comparison between welding heat (power) and welding speed for the condenser collector tube with the highfrequency-welding aluminum alloy condenser collector tube with size of φ25 mm×（1.15-2.10 mm）

3.2 避免新品集流管盲目調(diào)試

本文關(guān)于線能量的研究，不僅適用φ25 mm×(1.15～2.10 mm)高頻焊接冷凝器集流管的焊接，對(duì)φ25 mm其他厚度高頻焊接冷凝器集流管焊接線能量的施加都具有普遍的指導(dǎo)意義，如需要試制φ25 mm×2.3 mm的高頻焊接冷凝器集流管，基本焊接線能量由式（9）得：25.73±0.3J/mm 或 42.85±0.5。這樣，也許不能快速獲得最理想的焊縫強(qiáng)度，但是，能夠保證焊縫強(qiáng)度足夠好，既避免盲目調(diào)試，又極大地縮小了焊接線能量的摸索范圍，能更精準(zhǔn)地指導(dǎo)新品種集流管的試制[7-10]。

4 結(jié)束語

焊接線能量對(duì)高頻焊接鋁合金冷凝器集流管生產(chǎn)的意義怎么高估都不為過。本文雖然僅針對(duì)φ25 mm的高頻焊接冷凝器集流管，但是其研究思想和研究方法對(duì)包括集流管在內(nèi)的其他高頻焊管均具有指導(dǎo)意義。

此外，無論從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表（見表1～表6）看，還是實(shí)際操作過程看，復(fù)合鋁合金管坯的狀態(tài)H14，H24以及不同覆層材料AA4045，AA4343等，對(duì)高頻焊接鋁合金冷凝器集流管線能量的施加量幾乎沒有影響。