面向制冷行業(yè)在線應(yīng)用的鋁鋁感應(yīng)釬焊

鮑成坤 聶圣源 趙 越

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100; 2.青島海爾股份有限公司，山東 青島 266510)

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面向制冷行業(yè)在線應(yīng)用的鋁鋁感應(yīng)釬焊

鮑成坤1聶圣源2趙 越1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100; 2.青島海爾股份有限公司，山東 青島 266510)

鋁管由于其熔點(diǎn)低，在焊接的過(guò)程中很容易燒破，致使管壁減薄或管路泄漏。所以，制冷行業(yè)的鋁鋁管路基本采用洛克環(huán)進(jìn)行連接，洛克環(huán)連接的成本較高，并且洛克環(huán)在本質(zhì)上不屬于焊接，在安裝工藝不成熟時(shí)也會(huì)存在較大比例的焊漏率；鋁鋁感應(yīng)釬焊在工藝成熟的前提下可以實(shí)現(xiàn)鋁管的低成本連接，并且焊接效果穩(wěn)定，降低焊漏率。針對(duì)鋁鋁管的感應(yīng)釬焊進(jìn)行研究，并探究鋁鋁感應(yīng)釬焊的在線應(yīng)用條件，推動(dòng)感應(yīng)釬焊在制冷行業(yè)鋁鋁管路連接中的應(yīng)用和發(fā)展。

鋁鋁管路 感應(yīng)釬焊 在線應(yīng)用

0 序 言

鋁是一種比較廉價(jià)并且耐蝕性較好的金屬，中國(guó)的鋁資源比較豐富，所以在制冷行業(yè)中用鋁來(lái)替代價(jià)格比較貴的銅是一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。區(qū)別于銅和鋼的高熔點(diǎn)，鋁的熔點(diǎn)比較低，僅有660 ℃,且鋁的密度比較小，相同體積的金屬其質(zhì)量就更小。所以，在吸收相同熱量的情況下，鋁的溫度升高的更高,這些問(wèn)題都造成了鋁鋁焊接的困難[1]。

目前，制冷管路的鋁鋁連接主要采用洛克環(huán)連接，少數(shù)采用火焰釬焊。但是由于洛克環(huán)連接和鋁鋁火焰釬焊存在諸多問(wèn)題，開(kāi)發(fā)鋁鋁感應(yīng)釬焊技術(shù)成為制冷行業(yè)管路連接的需要。又因?yàn)殇X硅釬料與鋁管的熔點(diǎn)相當(dāng)接近，導(dǎo)致鋁鋁的感應(yīng)釬焊存在一定的難度，容易造成鋁管的燒蝕。為了解決這一問(wèn)題，文中進(jìn)行了鋁鋁感應(yīng)釬焊的工藝研究，并縮短焊接所需要的時(shí)間，力求將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。

在鋁鋁感應(yīng)釬焊工藝的研究中，文中充分運(yùn)用了X射線探傷在制冷管路焊接質(zhì)量檢測(cè)上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)探傷的結(jié)果不斷的改進(jìn)工藝參數(shù)，既節(jié)省了研發(fā)時(shí)間又能很好的發(fā)現(xiàn)反應(yīng)鋁鋁管路在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 鋁鋁管路連接現(xiàn)狀

1.1 洛克環(huán)連接

在制冷行業(yè)的管路連接中洛克環(huán)連接占了比較大的一部分比例。洛克環(huán)是德國(guó)福爾康lokring公司的專(zhuān)利產(chǎn)品，洛克環(huán)技術(shù)是利用冷擠壓塑性變形原理，達(dá)到鋁與鋁之間、鋁與銅、銅與銅、銅與鋼、銅與鈦之間的緊密連接，專(zhuān)門(mén)用于連接小直徑的有色金屬管材。洛克環(huán)連接實(shí)現(xiàn)了無(wú)明火操作，但由于其在實(shí)質(zhì)上不屬于焊接，金屬組織間未達(dá)到原子間的結(jié)合，并且洛克環(huán)的密封長(zhǎng)度較小，一般在1.2 mm左右，洛克環(huán)連接所使用的密封液原則上需要15 min左右的凝固時(shí)間[2]，在連接工藝不成熟的情況下其泄漏比例比較高。所以洛克環(huán)連接存在很大的不穩(wěn)定性，并且可能伴隨著使用中的泄漏隱患。

1.2 鋁鋁火焰釬焊

鋁鋁火焰釬焊目前小范圍的應(yīng)用在鋁管蒸發(fā)器的焊接，但由于鋁管在加熱時(shí)沒(méi)有顏色的變化，且熔點(diǎn)較低，所以鋁鋁火焰釬焊存在一定的難度，需多加練習(xí)進(jìn)行掌握，即需要焊接工人自身熟練的焊接技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支持[3]。并且，在火焰釬焊時(shí)每次的調(diào)火溫度不一定相同，因此焊接質(zhì)量具有一定的不確定性。

1.3 鋁鋁感應(yīng)釬焊

目前感應(yīng)釬焊已被運(yùn)用在制冷管路的焊接中，主要有銅銅管路、銅鋼管路和鋼鋼管路，但在鋁鋁管路的焊接中還沒(méi)有運(yùn)用。鋁鋁感應(yīng)釬焊采用高頻感應(yīng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，其焊接功率和焊接時(shí)間均可調(diào)并固定[4]。焊槍的焊接位置也可以由定位裝置進(jìn)行固定，在整個(gè)過(guò)程中使得人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響降到最低。感應(yīng)釬焊利用機(jī)器設(shè)定程序完成管路連接，對(duì)操作要求低，重復(fù)性和可靠性高，焊接過(guò)程安全環(huán)保，感應(yīng)器配備柔性電纜時(shí)可以滿足在線生產(chǎn)的要求[5]。

前期鋁鋁感應(yīng)釬焊已成功試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性，但由于焊接時(shí)間較長(zhǎng)，不適合在線生產(chǎn)運(yùn)用。該試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)韓文軍等人試驗(yàn)的基礎(chǔ)上(焊接時(shí)間9 s，功率60%)進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)一步降低鋁鋁感應(yīng)釬焊的時(shí)間，促進(jìn)鋁鋁感應(yīng)釬焊的在線應(yīng)用。

2 鋁鋁感應(yīng)釬焊的試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的高頻感應(yīng)焊機(jī)為EFD公司的MINAC 6/10，如圖1所示，最高功率可達(dá)10 kW，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作功率可達(dá)6 kW。試驗(yàn)采用特制的感應(yīng)器，如圖2所示，鋁管的規(guī)格型號(hào)分別為1060系φ8 mm×0.75 mm和其擴(kuò)口管以及翻邊擴(kuò)口管，如圖3～4所示。選用Al-Si釬料[6]，藥芯焊環(huán)，絲徑φ1.2 mm。

圖1 易孚迪感應(yīng)焊機(jī)

圖2 鋁鋁感應(yīng)器

圖3 插入管

圖4 套管

試驗(yàn)首先采用100%的功率進(jìn)行加熱至焊接完成。此種方法加熱鋁管不容易控制焊環(huán)的熔化過(guò)程，鋁鋁管路經(jīng)常被燒斷或燒破，如圖5所示。這是因?yàn)殇X管在加熱熔化時(shí)顏色不發(fā)生變化，所以采用一次加熱難以控制焊接的效果，因此嘗試改變焊接的方法。

圖5 鋁管燒斷與燒破

試驗(yàn)采用曲線加熱的方法而不是定功率加熱，即整個(gè)過(guò)程的加熱功率是改變的，感應(yīng)加熱過(guò)程如圖6所示。感應(yīng)焊機(jī)可以通過(guò)設(shè)置程序來(lái)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，并且可以分多個(gè)步驟進(jìn)行焊接。每個(gè)步驟均可設(shè)置一個(gè)焊接功率和焊接時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)曲線加熱。

圖6 曲線加熱與定功率加熱

為了達(dá)到減少焊接時(shí)間的目的，開(kāi)始加熱的功率為100%，后續(xù)采用略低的功率點(diǎn)動(dòng)加熱。為了得到鋁管在100%功率下熔化的時(shí)間，采用100%的功率加熱鋁鋁管，直至鋁管燒破或燒斷。多次進(jìn)行試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)其最小值和平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。

由以上試驗(yàn)可以知道在100%的功率下，鋁管被燒破所用的最短時(shí)間為4.9 s。因此文中試驗(yàn)確定保持功率為100%時(shí)的加熱時(shí)間小于4.6 s，保證焊環(huán)還未融化，鋁管不被燒破，此過(guò)程為焊接的第一段。后續(xù)的加熱參數(shù)為試驗(yàn)探究的重點(diǎn)。最終目標(biāo)是將焊接時(shí)間控制在6.5 s以內(nèi)，以適應(yīng)生產(chǎn)線的節(jié)拍。

表1 100%功率燒破鋁管所用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)表

在鋁鋁感應(yīng)釬焊的過(guò)程中，感應(yīng)器的位置非常重要。當(dāng)焊接位置不正確或者出現(xiàn)感應(yīng)器與鋁管軸向偏斜時(shí)即會(huì)出現(xiàn)鋁管燒破的情況。所以在鋁鋁感應(yīng)焊接的過(guò)程中感應(yīng)器相對(duì)于鋁管的位置也極為重要。

根據(jù)所焊接的鋁管管路的特點(diǎn)，在鋁鋁感應(yīng)器上加裝定位裝置。主要實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器軸心與鋁管軸向的平行及重合，以及感應(yīng)器與鋁管插管口位置的固定，減少或避免鋁管的燒損。該定位裝置是根據(jù)試驗(yàn)中鋁管規(guī)格設(shè)計(jì)的，由鐵氧體材料經(jīng)過(guò)特殊的工藝壓制而成，如圖7所示。定位塊在感應(yīng)器上的應(yīng)用示例如圖8所示，圖9為擴(kuò)口鋁管圖。

由100%功率焊接鋁管的試驗(yàn)可知，在100%功率進(jìn)行鋁鋁管路的感應(yīng)釬焊時(shí)，其加熱速度比較快且后期加熱過(guò)程不可控[7]。因此文中設(shè)計(jì)兩組曲線感應(yīng)加熱試驗(yàn)，詳見(jiàn)表2～3。試驗(yàn)選用了兩種結(jié)構(gòu)的套管，一種是不翻邊的鋁套管試驗(yàn)，該鋁套管是直接擴(kuò)管而成(表2)；另一種是對(duì)擴(kuò)口后的管口進(jìn)行翻邊處理，增大焊環(huán)熔化后進(jìn)入套管的角度(表3)。

圖7 定位塊

圖8 定位塊安裝在感應(yīng)器上的應(yīng)用

圖9 擴(kuò)口鋁管感應(yīng)器的的定位裝置圖

通過(guò)以上試驗(yàn)可以總結(jié)出鋁管釬焊過(guò)程中的燒損與焊接功率和焊接時(shí)間的趨勢(shì)關(guān)系。在高功率焊接時(shí)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)將被焊鋁管和焊環(huán)加熱到較高的溫度，實(shí)現(xiàn)焊環(huán)的熔化，甚至伴隨著鋁管的燒損；中間暫停加熱并不能在根本上縮短總的焊接時(shí)間；后續(xù)的加熱功率過(guò)高時(shí)由于結(jié)束加熱溫度的不穩(wěn)定性，極易燒破鋁管。

表2 試驗(yàn)A

表3 試驗(yàn)B

為了降低鋁管燒損的程度或者避免鋁管的燒損，依托該試驗(yàn)感應(yīng)焊機(jī)的曲線加熱的程序，對(duì)鋁管管路采用曲線加熱的方法進(jìn)行焊接。在韓文軍等人9秒65%功率的焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上，以及對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果的分析，最終確定了以高功率加熱盡量長(zhǎng)的時(shí)間，低功率加熱至焊環(huán)熔化的試驗(yàn)思路，試驗(yàn)見(jiàn)表4。

表4 豎焊試驗(yàn)

采用80%和75%的功率作為焊接的結(jié)束功率的焊接效果不好，鋁管燒損比較嚴(yán)重。所以采用較低的功率作為曲線加熱的結(jié)束功率。以下為后續(xù)的試驗(yàn)方案。

由以上豎焊試驗(yàn)可以總結(jié)出：以100%功率加熱較長(zhǎng)的時(shí)間，再以低功率結(jié)束加熱可以起到縮短加熱時(shí)間和避免鋁管燒損的效果；鋁管是否翻邊對(duì)焊接時(shí)間的影響并不大。因此,后續(xù)試驗(yàn)均采用不翻邊的鋁管。

由于在很多生產(chǎn)線上鋁管所處的位置是水平的，即要涉及到鋁管的橫焊試驗(yàn)。因此，根據(jù)鋁管的豎焊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行鋁管的橫焊試驗(yàn)。在豎焊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有針對(duì)性的橫焊試驗(yàn)，盡量使得試驗(yàn)結(jié)果可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用條件。

通過(guò)橫焊試驗(yàn)與豎焊試驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：橫焊與豎焊的焊接最佳焊接位置基本相同，在橫焊過(guò)程中存在釬料因重力作用，在橫焊管路的下方形成焊瘤的問(wèn)題。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)以上一系列試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以得出結(jié)論：①加熱功率越大，焊接完成所需的時(shí)間越短；②加熱功率越大，后續(xù)升溫過(guò)程越不容易控制，容易造成鋁管的燒斷或燒破；③加熱功率越小，焊接后鋁管燒損情況越輕微，焊接時(shí)間加長(zhǎng)，不適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用；④采用曲線加熱的方法加熱鋁管可以起到較好的焊接效果。先用大功率加熱后采用小功率完成加熱，既可以起到減少焊接時(shí)間的效果又可以減輕鋁管的燒損。

3.1 兩種釬焊參數(shù)下的探傷結(jié)果對(duì)比

X射線探傷廣泛運(yùn)用在焊接材料的無(wú)損檢測(cè)中，但在制冷管路的焊接中還未得到運(yùn)用。通過(guò)對(duì)鋁鋁感應(yīng)釬焊管路的X探傷照片進(jìn)行分析以及對(duì)釬焊填縫深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出釬焊深度以及具體的釬焊填縫情況，如圖10～11所示。

圖10 低功率長(zhǎng)時(shí)間加熱管路的探傷圖

圖11 曲線加熱管路的探傷圖

統(tǒng)計(jì)此種加熱方式的填縫深度，計(jì)算其平均填縫深度為5.3 mm。由探傷照片可以發(fā)現(xiàn)圖10a的填縫深度很深，基本到插管的底部；圖10b的左側(cè)下方有一個(gè)小的未熔合缺陷(陰影區(qū))。

統(tǒng)計(jì)此種加熱方式的填縫深度，計(jì)算其平均填縫深度為5.1 mm。由探傷照片可以發(fā)現(xiàn)圖11a的填縫深度很深；圖11b左側(cè)中間存在一個(gè)微小的未熔合，右側(cè)的底部存在一個(gè)約4 mm長(zhǎng)的未熔合，說(shuō)明該鋁鋁管路的右側(cè)釬料未填滿。

對(duì)比兩種加熱方式的探傷結(jié)果可以得出結(jié)論：兩種加熱方式的填縫深度均可以達(dá)到制冷管路釬焊3 mm填縫深度的要求，且平均填縫深度的差異不大。

3.2 兩種釬焊參數(shù)下的微觀組織對(duì)比

由于加熱方式的不同，鋁鋁管路在焊接之后的微觀組織可能存在差異。為驗(yàn)證兩種加熱方式對(duì)焊后微觀組織的影響，對(duì)兩種管路進(jìn)行金相組織觀察，低功率長(zhǎng)時(shí)間焊接的金相組織如圖12所示，曲線加熱焊接的微觀組織如圖13所示。

圖12 低功率長(zhǎng)時(shí)間焊接的金相組織

圖13 曲線加熱焊接的微觀組織

對(duì)比以上兩種加熱方式鋁管的微觀組織可以得出：低功率長(zhǎng)時(shí)間加熱的方式焊縫的樹(shù)枝晶和晶間組織的區(qū)分比較明顯，各自所占的比例大小也相當(dāng)；曲線加熱焊接的管路焊縫的樹(shù)枝晶很大，晶間組織所占比例較小，說(shuō)明此種焊接方式使得焊縫的組織更加均勻。

4 試驗(yàn)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)鋁鋁感應(yīng)釬焊的在線應(yīng)用，對(duì)鋁鋁感應(yīng)釬焊的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在線生產(chǎn)時(shí)，不但要適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)節(jié)奏，而且要確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。也就是要在確保焊接質(zhì)量的前提下力求最短的焊接時(shí)間，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。

5 對(duì)鋁鋁感應(yīng)釬焊在線應(yīng)用的展望

某冰箱公司新上線的產(chǎn)品采用鋁管纏膽技術(shù)，該纏膽管路共有橫豎兩個(gè)鋁鋁接頭。在采用洛克環(huán)連接時(shí)，其焊漏率較高，且生產(chǎn)成本也很高,其中較高的焊漏率成為困擾企業(yè)生產(chǎn)的很大障礙。由于洛克環(huán)連接并不屬于真正意義上的焊接，其為采用洛克環(huán)和密封膠結(jié)合的一種物理密封方法。洛克環(huán)連接的密封寬度小，密封質(zhì)量并不穩(wěn)定。

鋁鋁感應(yīng)釬焊的在線應(yīng)用可以提高鋁鋁管路連接的穩(wěn)定性，確保較高的焊接質(zhì)量。并且，鋁硅焊環(huán)的成本很低，遠(yuǎn)低于洛克環(huán)的成本。大批量應(yīng)用鋁硅焊環(huán)可以顯著降低生產(chǎn)成本。因此，無(wú)論在質(zhì)量層面和成本控制層面，鋁鋁感應(yīng)焊的在線應(yīng)用都具有更加光明的前景。

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2016-10-17

TG454

鮑成坤，1992年出生，碩士研究生。主要從事制冷管路的無(wú)損檢測(cè)、異種金屬管路焊接、制冷管路腐蝕與防護(hù)等，已發(fā)表論文3篇。