先進焊接技術在變壓器用片式散熱器制造上的應用

許宗陽

（保定新勝冷卻設備有限公司，河北 保定 071052）

片式散熱器（以下簡稱散熱器）形式如下圖所示。散熱器采用自冷方式對變壓器進行冷卻，其熱交換介質為空氣，通過變壓器油在散熱器和變壓器油箱中的循環，使變壓器油和外界空氣發生熱交換過程，從而達到對變壓器冷卻的目的。其制造中的主要焊接工藝有電阻點焊、活性氣體熔化及氣體保護焊。

圖1 鵝頸式變壓器用片式散熱器

1 先進焊接工藝應用

1.1 先進焊接工藝在散熱器制造上的應用

1.1.1 先進電極材料電阻點焊

電阻點焊是散熱器制造過程中非常重要的工藝環節，用于連接單個散熱片。電阻點焊用的電極，是一種消耗品。Cr-Zr-Cu電極具有較優良的物理化學性能，且性價比極高，所以屬于應用最廣泛的電阻點焊電極材料。但Cr-Zr-Cu電極在400℃左右時硬度急劇下降，導致其在使用時易發生變形，需要不定期對電極的外觀尺寸進行修磨，以保證焊接質量，降低了使用壽命。同時，Cr-Zr-Cu電極在對有鍍層材料（比如，鍍Zn、鍍Ni）進行焊接時，普遍存在易黏連和壽命短等問題，從另一方面限制了新型散熱器材料的開發和應用。為解決以上問題，國內外研究者進行了大量的研究工作。

（1）彌散強化銅合金電極材料

彌散強化銅合金電極作為一種新型電阻點焊電極材料，最早由美國的SCM公司在1973年推出，其產品為Al2O3彌散強化銅合金電極。相較于傳統的Cr-Zr-Cu電極，Al2O3彌散強化銅合金的軟化溫度高達900～1000℃，大幅度減小了焊接時產生的高溫導致電極外形發生變化的可能。此外，Al2O3彌散強化銅合金還具有優良的耐磨性和導電性，完全可以滿足碳鋼板電阻點焊時的性能要求。在焊接鍍層材料如鍍鋅鋼板時，彌散分布的Al2O3可以有效阻止電極端部的合金化，大幅度降低Zn向電極端部的擴散，減小脆性黃銅層的形成。有研究表明，其使用壽命可達傳統Cr-Zr-Cu電極的3～5倍，可大幅度降低綜合生產成本。

（2）涂層電極材料

除彌散強化銅合金電極材料外，涂層電極材料也是電阻點焊電極材料研究中一個重要且極其熱門的方向。通過在傳統Cr-Zr-Cu電極表面加工出異種金屬層的方式，進而達到延長電極使用壽命，改善焊點成形，提高焊接質量的目的。其優良的工藝性能、低廉的制造成本，吸引了大量國內外公司和學者開展研究工作。

涂層電極工藝一般是指在傳統Cr-Zr-Cu電極表面采用電火花堆焊工藝沉積涂覆硬質合金Ti-C層，從而達到增加電極頭硬度、抗磨性、耐高溫性等目的，其電極電阻焊鍍鋅鋼板的壽命較原有無涂層電極提高了2.5 倍以上。

但在隨著Ti-C涂層電極在鍍鋅鋼板上進一步的使用，發現隨著焊點數量的增加，Zn會隨著Ti-C涂層的消耗滲入到Cu中，從而形成脆性的黃銅層（Cu-Zn合金），這些脆性的黃銅層在焊接熱量和電極加壓共同作用下非常容易脫落，進而使得電極上更大表面與鍍鋅鋼板表面的Zn層接觸，惡化電極性能縮短電機的壽命。為解決這一問題，鄒家生、沈喬、王濤等在金屬陶瓷涂層之外，采用電火花沉積工藝額外涂覆一層Ni層，獲得了雙涂層電極。該種雙涂層電極利用Ni和Cu可形成無限固溶體的特性，將原有Cr-Zr-Cu基體/Ti-C層單層結構，變為Cr-Zr-Cu基體/Ni層/金屬陶瓷涂層雙層結構，改善了涂層與基體之間的結合強度，其涂層的韌性和致密性也得到了提高。研究表明，這種雙涂層電極可以有效防止Zn與電極之間的合金化傾向，提高電極的抗塑性變形能力，經實際試驗，雙涂層電極端部在點焊1200點時出現了較大的蝕坑，而普通電極在點焊100點時已經出現蝕坑，電極頭壽命增加10倍以上。

1.1.2 CMT焊接工藝

在散熱器制造過程中，單片和集油管的焊接形式主要為圓弧焊和直縫焊，而單片的厚度僅為1.0mm或1.2mm，且在沖壓拉伸位置存在小于1.0mm情況，屬于薄板或超薄板焊接，傳統MAG焊在焊接時漏率高且飛濺較多，是困擾本行業多年的一個重要問題。

CMT（Cold Metal Transfer）焊接工藝，又稱冷金屬過渡焊接工藝。是奧地利Fronius公司開發的一種無飛濺焊接技術，最早于2004年初次對外公布。此項技術基于GMAW焊接工藝中的短路過渡開發而成，通過數字化的控制和協調焊接過程中的送絲與熔滴過渡過程，從而實現穩定的、無飛濺的焊接過程。其原理如圖2所示。

圖2 CMT焊接過程

從圖中可以看出，當短路電弧尖端與母材接觸并發生短路時，焊接電源檢測到短路信號，此時，電弧熄滅，焊絲回抽，幫助熔滴向熔池中過渡，進而完成焊接過程。

相較于現有采用的MAG焊工藝，CMT焊接工藝具有以下明顯優勢：

（1）超低的總焊接熱輸入

現有的MAG焊工藝的熔滴在焊接過程時，借助短路時電流的增大進而產生較大的電磁力及其自身所受重力和液體表面張力等，順利完成向熔池中的過渡過程。而CMT焊接工藝過程中，當焊絲尖端的焊絲熔化逐漸形成熔滴并且長大并和熔池接觸發生短路時，CMT數字化控制系統檢測到恰當的信號后，會控制焊接電源完全切斷電流發生熄弧，同時，送絲數字化控制系統控制焊絲回抽，幫助熔滴向熔池中過渡，這樣就實現了在無電流條件下的短路過渡，使得短路過渡中的總熱量降低到很低的水平，大幅度減小了整個焊接過程中熱輸入。

（2）超低飛濺

CMT焊接工藝采用數字化系統控制焊接電流和焊絲的抽回，從根本上避免了傳統MAG焊短路過渡時，由于熔滴液橋破斷造成的大量飛濺，使短路過渡的總功率大幅度降低。

（3）電弧穩定性高，成形質量好

CMT焊接工藝可以依據不同的焊接狀態對電弧長度進行實時調節，從而保證了焊接過程中電弧長度極其穩定，進而保證了焊接過程的穩定。同時，由于CMT焊接可以實現焊絲回抽功能，因而使得短路過渡過程中不再有熱量急劇的變化，進一步提升了短路過渡時的穩定性。

從上述CMT焊接工藝的特點不難發現，正是由于CMT焊接工藝超低的總熱輸入、焊接過程穩定成形質量好，弧長穩定和幾乎無飛濺等工藝特點，其在散熱器圓弧焊和直縫焊等母材厚度小于或等于1.00mm焊接作業中有廣闊的應用前景，其最薄板厚甚至可以達到0.3mm。同時，研究表明，CMT焊接工藝還能在碳鋼和鋁合金、碳鋼和鎳基合金、碳鋼和不銹鋼等異種金屬薄板間實現穩定的焊接過程和良好的焊縫。這對于未來開發新材料散熱器產品（如鋁合金散熱器、不銹鋼散熱器，鋁片-鋼管異種材料散熱器等）具有重大意義和極強的工藝適用性。

2 結語

變壓器用片式散熱器對于小容量變壓器的重要性不言而喻，而焊接技術在片式散熱器中占有重要地位，先進焊接技術的應用不但能給企業帶來實際的經濟效益，對于新產品的開發也具有極其強大的支撐作用，沒有先進的焊接技術，是不可能成功開發出全新的片式散熱器產品的。