鋁管坯焊接特性對高頻鋁焊管焊接的影響初探

曹 笈，曹國富

（南京凱博勒教育咨詢有限公司，江蘇 南京 210000）

在人類生產實踐的歷史長河中，有些實踐活動是在具體理論指導下進行的；有些是通過類比，借助某種理論“依葫蘆畫瓢”進行的，如高頻直縫鋁焊管就是在高頻直縫焊接鋼管的理論指導下發展起來的。但是，由于鋁管坯的力學性能、化學性能、熱學性能、電學性能、磁學性能和光學性能等，尤其是與焊接直接相關的后5種性能，都與高頻焊接鋼管大相徑庭，這就使得關于高頻鋁焊管的焊接理論較為模糊。到目前為止，鮮見系統完整的結合鋁和鋁合金特性的高頻直縫鋁焊管理論體系，更缺少基于鋁管坯焊接特性與高頻焊接特點相結合的文字資料，以及能夠有效指導鋁焊管焊接的理論。

從鋁和鋁合金與焊接有關的一系列特性出發，探討這些特性對高頻直縫鋁焊管焊接的影響，并逐步建立起獨立的、完整的高頻直縫鋁焊管理論體系就顯得十分必要。

1 鋁管坯焊接特性與高頻焊接原理

1.1 與焊接有關的鋁管坯特性

鋁管坯與焊接有關的特性指鋁和鋁合金的熱學性能、化學性能、電學性能、磁學性能和光學性能等，見表1。鋁管坯這些特性與高頻焊接原理共同決定了高頻直縫鋁焊管的焊接工藝，并從不同方面和不同程度地影響高頻直縫鋁焊管的焊接效果。

表1 鋁焊管坯和鐵焊管坯的焊接特性[1]Tab.1 Welding characteristics of aluminum pipe blank and iron pipe blank[1]

1.2 高頻焊接原理簡介

高頻焊接原理是建立在電磁學理論中的焦耳—楞次定律基礎之上，并充分利用了高頻電流的臨近效應和集膚效應，使待焊管坯中的感應電流及其焦耳熱能在瞬間匯聚到待焊管坯表面和相鄰的待焊管坯兩邊緣，并且首先使管坯兩邊緣的金屬持續升溫，在達到金屬熔融溫度時由擠壓輥提供擠壓力實現焊接，如圖1所示。

加熱時間極短和加熱區域窄且溫度分布極不均勻是高頻焊接的2個最顯著特點[2]。

(1)將金屬加熱到焊接溫度的時間極短。表2為采用型號為50的機組對鋁和鐵進行感應加熱，感應圈前面與兩擠壓輥中心連線的距離為80 mm時加熱到焊接溫度用時的參考值。為從表2可以看出，在焊接速度為40～100 m·min-1內完成焊接用時均在毫秒級，即從室溫加熱到焊接溫度，用時極短，且焊接速度可達每分鐘數百米，是諸如電弧焊、埋弧焊、氣焊等無法比擬的。

圖1 高頻感應焊接原理Fig.1 Principle of high frequency induction welding

表2 感應加熱用時參考值Tab.2 Reference value of induction heating process

(2)加熱區域窄且溫度分布不均。在高頻電流臨近效應和集膚效應作用下，管坯上的感應電流高度集中在圖1所示管坯內外表面—集膚效應（管坯橫截面上的箭線）和待焊管坯兩邊緣—鄰近效應（管坯橫截面上的黑色涂層）。該電流的集膚深度Δ由（1）式確定，通常只有幾十微米；

式中：Δ為高頻電流集膚深度；ρ為電阻率；μ為磁導率；f為高頻電流頻率。

而由鄰近效應決定的、匯聚到待焊管坯邊緣的高頻電流區域δ也僅有幾十微米至數百微米寬，頻率越高區域越窄。而且由該電流引起的焦耳熱能在整個加熱焊接區段溫差很大，見圖2，最高焊接溫度T則由（2）式確定：

式中：I為焊接電流；R為管坯電阻；A為金屬物理系數；F為焊接斷面面積；L為焊接區長度；V為焊接速度。

高頻焊接原理及其2個基本特點只有與鋁管坯焊接特性相結合，并充分考慮鋁管坯焊接特性對高頻鋁焊縫的影響，才能獲得優質的高頻焊接鋁焊縫。

圖2 AA3003待焊鋁管坯邊緣焊接區熱量分布曲線Fig.2 Heat distribution curves of the welding edge area of AA3003 aluminum pipe for welding

2 鋁管坯焊接特性對高頻鋁焊的影響

2.1 熔點

（1）與焊接鋼管比，鋁管坯熔點低。由于鋁的熔點約是鐵的43%，所以從加熱開始到完成焊接的工藝時間鋁比鐵更短，約短57%；也就是說，以相同的焊接速度和加熱距離來焊接相同規格鋁管和鋼管時，當以焊接鋼管的時間來焊接鋁管，且只根據鋁和鐵的熔點來判斷，鋁焊縫必定被燒熔掉。因此，要求焊接鋁管時至少應將焊接時間縮短57%。

（2）適合鋁材焊接的溫度范圍窄。表3是常用鋁合金復合管 3003/4032（4043）和 3004/4032（4043）的液相線、固相線、過燒溫度以及焊接溫度可以調節的幅度。由于覆層合金的液相線溫度和固相線溫度均低于芯層的，且對焊縫強度的影響甚微，所以焊縫實際上是由芯層構成。而芯層焊接溫度可調節范圍為 643～654 ℃或 629～654 ℃，與Q195鋼的焊接可調節溫度幅度（Q195鋼的液相線溫度為1 525 ℃，固相線溫度為 1 250 ℃）比[3]，后者是前者的數10倍，這就要求必須對高頻鋁焊縫的焊接溫度進行更為精準的控制，否則焊縫不是過燒就是冷焊。

表3 常用鋁合金復合管的液相線溫度、固相線溫度、過燒溫度及焊接溫度可調幅度[4]Tab.3 Liquidus temperature,solidus temperature,overburning temperature and adjustable welding temperature range of aluminum alloy composite pipe[4]

此外，從控制學原理看，允差越小，控制難度越大；加熱焊接區長度越長，出現偏差的幾率越高。

由（2）式可知，當焊管規格、焊接速度和焊接電流確定之后，管坯電阻、金屬物理系數、焊接斷面面積都是定值，影響焊接溫度穩定的是焊接區長度。因此，要對焊縫溫度實施精準控制，最佳途徑是盡可能縮短焊接區長度。

縮短焊接區長度對鋁合金焊管的焊接至少意味以下2點：

①需要提供的焊接熱能減少，可以使待焊管坯兩邊緣在較為精準的溫度下進行焊接，便于對焊接溫度進行精準控制，這對鋁管坯的焊接極為有利[5]。

②從焊接理論的角度看，較短的焊接區長度可以使高溫熱傳導寬度變窄，焊縫熱影響區的組織受到影響程度就低，焊縫組織就更接近母材[6]。

2.2 熱導率

鋁的熱導率是鋼材（Fe）的3倍左右，與高頻焊接鋼管比，在相同條件下焊接鋁管意味著加熱焊接區域（δ+δ′）因傳熱快而增寬，熱量損失亦多。焊接時為了彌補鋁材傳熱快和散熱多導致邊緣焊接熱量由直接加熱區域δ迅速向δ′直至整個管體傳導、繼而導致焊接區溫度降低，就需要輸入更高的焊接熱量[7]。然而，受鋁合金焊接溫度范圍窄的限制，工藝上不允許輸入更高焊接熱量，只有盡可能地縮短焊接區長度。

同理，由于鋁的傳熱系數大，熱阻小，降溫更快；焊接區長度越長，降溫梯度越大，降溫越明顯，甚至降低到焊接溫度以下，形成冷焊[8]。

2.3 比熱容

鋁的比熱容約是鋼材（Fe）的2倍，表示升高或降低相同溫度時，鋁吸收或釋放的熱量比鐵多將近1倍，說明在相同的焊接環境中，一方面，焊接鋁管需要的相對熱量比焊接鋼管多；另一方面，由于允許高頻鋁焊的焊接溫度變化范圍很窄，如3003鋁管坯的焊接溫度在654～643 ℃，焊接溫度允許調節范圍窄，這給焊接熱量的施加提出更高要求。加之鋁在高溫焊接時，在可見光范圍內看不到顏色變化，對焊接區溫度波動的判斷與調節不像焊接鋼管那樣清晰，極易造成焊縫冷焊或過燒，甚至燒熔。因此，試圖通過增加或降低焊接熱量來調節焊接溫度對高頻鋁焊而言并非上策。

2.4 熔解熱

(1)低熔解熱易熔化。根據熔解熱的定義有：

式中：Q為熱量；Lf為熔解熱；m為物質質量。

比較表1中鋁和鐵的熔解熱，后者是前者的1 000多倍[9]，表示在加熱焊接鋁管過程中，管坯邊緣由熔點時的固態到熔化成液態所吸收的熱量比鐵的少得多，用時更短，熔化更快，待焊鋁管坯邊緣被熔化燒損的風險也更高。

(2)低熔解熱材料承載熱能能力低。鋁管坯的熔解熱低，待焊鋁管坯邊緣承載熱能的容量比待焊鋼管坯少得多，達到熔點后仍然呈晶體狀態的待焊鋁管坯邊緣極易在瞬間熔化、燒熔掉。

因此，預防鋁焊縫過燒和燒熔是鋁焊管工藝永恒的命題，比預防冷焊更緊迫。某企業對217 個復合鋁合金冷凝器集流管焊縫缺陷樣本的分析結果也證明，焊縫存在復熔球組織的占58.99%，而反映冷焊特征的裂紋和微裂紋則僅占11.98%，見表4。該統計結果是大多數操作者“輕過燒、重冷焊”思維慣性的必然，原因是從事鋁焊管焊接的調整工大多數來自于高頻焊接鋼管行業，且鋼管的熔解熱大大高于鋁管，待焊鋼管坯邊緣承載熱能的能力遠高于鋁管坯，不易形成焊縫過燒，此問題在冷焊缺陷中常見。

表4 焊縫金相缺陷樣本分類表Tab.4 Classification table of weld metallographic defect samples

2.5 磁導率

磁導率不僅關乎高頻電流的集膚深度，還關乎管坯在磁場中磁感應強度的強弱。弱磁導率的鋁管坯，對高頻直縫鋁焊管的影響表現在這2個方面：

(1)高頻電流集膚深度Δ。由于鋁是非導磁體或者更準確地說是弱導磁體，其μ鋁＜＜μ鐵，根據高頻電流集膚深度Δ與磁導率μ的關系式（1）可知，在相同頻率下Δ鋁＞Δ鐵，對焊接的影響要視實際工況具體分析。

①對高頻焊接厚壁鋁管來說，電流滲透深度深意味著由通電感應圈提供的熱能相對分散，不利于將更多熱能集中到待焊管坯邊緣用于焊接；同時由于熱傳導快，在加熱焊接過程中還會造成大量熱量從厚壁鋁管體周身散失。

②對薄壁鋁管的焊接則較為有利，如焊接汽車水箱和發動機中冷器用超薄壁（0.2～0.4 mm）管，可在不使用阻抗器的情況下，利用較深的電流滲透深度實現“全壁厚”加熱。且既無需擔憂因“全壁厚”加熱而導致熱損過多問題，又不用考慮弱導磁體鋁管坯在磁場中較弱的磁感應強度問題，仍然能夠實現高速焊接[10]。

(2)鋁管坯上的磁感應強度弱。依據高頻焊接原理圖（見圖1）可知，弱導磁體鋁管坯在磁場中的磁感應強度弱，從而對賦有集中磁場功能的磁棒或阻抗器的性能提出更高要求，使之既能彌補弱導磁體鋁管坯在磁場中的磁感應強度，又能提高待焊鋁管坯邊緣的熱功率密度。

2.6 高溫強度

鋁的高溫強度極低，在370 ℃時的強度僅有9.81×10-6MPa[11]。若加熱焊接區過長，會導致圖3中處于高溫熔融狀態δ區域內的待焊鋁管坯邊緣在重力作用下失去原始形貌，無法滿足焊接工藝所要求的待焊管坯兩邊緣平行對接。而確保高溫熔融狀態的待焊管坯兩邊緣原始幾何形貌不發生坍塌，是確保待焊管坯兩邊緣平行對接的前提，也是獲得規整焊縫熔合線的基本前提，更是焊縫品質的基本保證。

圖3 感應圈前面與擠壓輥中心連線的距離Fig.3 Distance between the head of induction ring and the extrusion center line

2.7 高溫色澤變化

金屬被加熱到一定溫度后都會有顏色變化，因為金屬原子的核外電子受到激發時由低能級躍遷到高能級（吸熱），然后由于電子在高能級不穩定，又回到低能級（放熱），這時就將多余的能量以光的形式釋放出來，并且由于原子結構和所吸收的能量不同，會在能級躍遷過程中釋放出含有特定波長的光線，這些不同波長的光線表現在光譜上就是不同的顏色。有些金屬釋放出波長在可見光范圍內的光線，如鐵在600 ℃時會呈暗紅色，800 ℃時會呈橙紅色，900 ℃以上則會呈現橙黃色；而鋁被加熱后看不到顏色變化，并不是沒有發生顏色變化，而是鋁在加熱過程中所釋放的光線之波長不在可見光范圍內，看不到顏色變化。當肉眼看不到被加熱的待焊鋁管坯邊緣顏色變化時，就很難判斷待焊管坯邊緣的溫度狀況，由此增加了焊縫質量控制難度。

特別地，在待焊鋁管坯邊緣溫度逐漸升高到焊接溫度的過程中，其體積不可避免地會發生膨脹，同時產生膨脹壓力，該壓力與來自焊接擠壓輥的擠壓力疊加后，會將部分高溫熔融鋁合金以鋁飛屑的形態飛離管體。由于鋁飛屑在形成之前和形成過程中實際上已經或多或少地被氧化，其氧化物主要成分是Al2O3。而Al2O3在600～700 ℃時會發出黃白色[12]。操作者可根據黃白色鋁飛屑的多少和飛濺高度間接判斷焊接溫度。

2.8 親氧性

鋁比鐵更活潑，具有強親氧性特征，常溫下數小時就被氧化，高溫時瞬間氧化，生成厚度為0.1～0.2 μm的高熔點（2 050 ℃）、大密度（3.783 g·㎝-3）、致密難熔的Al2O3薄膜。焊接過程中Al2O3薄膜浮升速度慢，常以夾雜的形式存在于焊縫中，形成焊縫缺陷，因而需要用比焊接鋼管更短的時間完成鋁管的加熱和焊接，以減少被氧化的量，降低氧化膜對鋁焊縫的不利影響。

由此可見，鋁管坯這些焊接特性，對高頻焊接都有一個共同要求—盡可能縮短加熱焊接時間，進而既縮短高溫待焊管坯邊緣被熔化和被氧化的時間，又降低因熱傳導快和熱損多造成焊接溫度波動的風險。

3 縮短高頻鋁焊時間的途徑

3.1 減小焊接擠壓輥外徑

在圖3中，擠壓輥孔型半徑R孔和感應圈外圓半徑R圈由焊管外徑決定，擠壓輥與感應圈前面的工藝間隙a、感應圈起熱長度b等都是定值，要縮短焊接時間，唯有減小擠壓輥中心連線與感應圈前面的距離S。而縮短S的唯一途徑是減小焊接擠壓輥外圓半徑R擠，參見（4）式[13]

式中：S′為擠壓輥中心連線與感應圈前面的工藝距離。

然而，根據目前鋁焊管用擠壓輥的設計方案圖4，要明顯減小擠壓輥外徑幾乎不可能，只能另辟蹊徑。據筆者研究，通過改變現有擠壓輥的設計方案，將擠壓輥外徑減小30%～50%并因之使距離S相應縮短35%～55%是可行的，焊接用時也將在原有基礎上同步縮短35%～55%。如當焊接速度為80 m·min-1時，原加熱焊接用時 25.8 ms（見表 2），用外徑縮小后的擠壓輥進行焊接，只需用時11.61～16.77 ms，這樣，高頻直縫鋁焊管的焊縫品質會因為加熱焊接時間大幅縮短而顯著改善。

圖4 鋁焊管用現有擠壓輥設計方案Fig.4 Design scheme of existing extrusion roller for welded aluminum pipe

需要指出，無需擔憂（2）式中因焊接區長度縮短而導致焊接溫度不足。原因是：鋁管坯熔點低，由室溫達到熔點的時間極短，加熱焊接區長度越短越好；根據（2）式可知，當焊接相同鋁焊管時，若焊接區長度由L縮短L1，要保持焊接溫度不變，只要依據（5）式恰當增大焊接電流即可。

式中：I1和L1分別為焊接區長度縮短后的焊接電流和長度；I和L分別是焊接區長度縮短前的焊接電流和長度。

3.2 適當提高高頻電流頻率

為了彌補鋁材是弱導磁體造成的電流滲透深度深以及由此帶來焊接厚壁鋁焊管熱損多、加熱焊接時間長的不足，受（1）式中電流滲透深度Δ與頻率f成反比的啟迪，通過提高焊接電流頻率能夠顯著減小電流滲透深度，進而提高鋁管坯表層和待焊管坯邊緣的電流密度和能量密度，達成集中更多焊接熱量、用更短時間完成焊接的目的。

3.3 強化磁棒功效

可從磁棒的磁導率、磁棒外徑、磁棒面積、磁棒長度、磁棒冷卻等方面入手提高磁棒使用效率。

4 結 論

（1）將高頻焊接原理與鋁管坯焊接特性相結合，可獲得高品質的鋁焊縫。

（2）鋁管坯特性如熔點、熱導率、熱阻、熔解熱、比熱容、高溫強度、磁導率、高溫色澤

變化、親氧性以及電流滲透深度等影響著高頻直縫鋁焊管的焊縫品質；其中，鋁管坯熱學性能對焊接的影響最突出，可通過減小焊接擠壓輥外徑、提高焊接電流頻率、強化磁棒功效等縮短焊接時間。