高頻焊鋁合金冷凝器集流管線能量的研究

曹國富， 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，用復合鋁合金帶通過焊管成型機組成型為開口圓管筒，然后經高頻焊接制備而成，廣泛應用于汽車空調、家用空調等領域。十萬量級不泄漏是鋁合金冷凝器行業的基本要求，百萬量級不泄漏是鋁合金冷凝器集流管（以下簡稱集流管）生產者追逐的目標，由此可見集流管焊接要求之嚴苛。然而，仍有關于高頻焊接集流管焊縫泄漏的報道，故本文擬從綜合反映焊接電流、焊接電壓與焊接速度關系密切的焊接線能量入手，嘗試建立與焊接不同規格集流管相匹配的線能量模型，以期實現穩定集流管的焊接，確保焊縫的可靠性。

1 用線能量穩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涵

高頻直縫焊接鋁管用焊接線能量是指，由高頻電功率轉換的、供焊接單位長度鋁焊縫的熱量，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相區別，以下稱單位“J·mm-1”的線能量為標準線能量qb）；η為電能轉換成焊接熱能的效率，當鋁焊管規格、磁棒、感應卷、焊接壓力等工藝參數確定之后，認為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個主要焊接工藝參數對鋁管焊縫性能的影響。基于鋁合金焊接接頭易軟化、強度系數低、焊接溫度范圍窄的特點，若焊接線能量過高，輕則造成焊縫晶粒粗大、出現復熔組織，重則導致焊縫難成型、易穿孔、甚致泄漏；反之，由于鋁合金熱導率大，若焊接線能量不足，焊縫極易產生冷焊、氧化物夾雜、微裂紋等焊接缺陷[2]。可見，焊接線能量對鋁焊管焊縫品質有著舉足輕重的作用。

1.2 實際焊接工藝參數的支持

理論上講，當成型管筒狀態和焊接壓力等確定之后，焊接單位長度焊管所需要的焊接熱量為定值，而且只有為定值，焊縫強度才有保障。實際焊接工藝參數的統計結果也顯示，相同規格的集流管，盡管焊接速度有別，盡管操作者不同，但是，實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是根據表1中的標準焊接線能量和無量鋼焊接線能量繪制而成，雖然它們的計算口徑不同、數值不同，但是兩條折線所反映的工藝參數波動規律高度一致；不僅如此，從表2～表6中的線能量與焊接速度關系圖（圖略）看，它們所反映的特征都與圖1類似，說明兩種計算線能量的方法都可行。區別在于：前者的計算口徑與式（1）完全一致，數值接近真實，適合理論研究；后者只是套用，數值并不反映真實，只能供生產現場快速比較。但是，由于計算數據可直接從設備顯示屏上獲得，不需要繁瑣換算，方法簡便，因而更適合操作者即時檢查與糾偏，對生產的實時性指導意義更大。

圖1 實錄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正相關關系

將表1～表6中關于線能量的數值與對應壁厚繪制到圖2上。圖2中顯示，無論是標準線能量點，還是無量綱線能量點，都分布在各自的“一條斜率為a的直線”周圍。那么，倘若根據統計學原理、運用數學方法能夠建立關于這條直線的模型，操作者就能依據模型對號入座，對同一外徑、不同壁厚的待焊開口鋁管筒施加相應的焊接線能量，達成“恒定”焊接線能量，進而穩定焊接的目的[3]。

1.3 相同規格焊管實用線能量波動小

縱觀表1～表6中的線能量，在焊管規格相同的情況下，雖然生產周期、操作者、焊接速度、管坯性能等不盡相同，可是高頻焊機輸出的焊接線能量卻都在一個較窄范圍內波動，參見圖1。從生產實踐看，這些小波動雖然不會對焊縫品質產生致命影響，但是存在不同程度的影響。表1～表6中數據只是出現頻率最多的前10組，實際數值偏差遠不止這些，有的甚至影響焊縫質量。

圖2 實錄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，通過對波動數據的分析、比較、理性干涉，結合圖表所反映的特征和相應的數理統計方法，有理由相信能找到一個適合焊接φ25 mm×（1.15～2.1 mm）冷凝器集流管用的線能量模型，并規范成工藝文件，進而避免焊接線能量因個人經驗、情緒、癖好不同所引起的波動，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、建立模型和驗證模型3個方面內容。

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大致成線性關系，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關系：

式中：t為管壁厚度；q為焊接線能量；a，b為待定系數。由式（3）定義：

在式（3）中，ti，qi和 n 均已知，顯然，待定系數 a，b可解。于是，焊接線能量問題轉變成求解二元函數的問題，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：根據選擇的模型和式（3），設計計算表8，同時解得待定系數a，b的值。

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

表8 式（3）計算表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）就是關于式（2）的高頻焊接集流管線能量模型。

2.3 驗證模型

2.3.1 與回歸直線方程式特點相符

驗證結果說明，上述兩坐標點（1.517,25.59）和（1.517,15.36）確實在各自的回歸直線上，見圖2。

2.3.2 與實用線能量的比較

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

表9 無量綱實用線能量 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）與標準實用焊接線能量的比較。從表10可知，模型給出的標準線能量與實際施加的標準線能量最大偏差與表9相同，說明兩種計量線能量的方法等價，生產現場完全可以用無量綱表示的焊接線能量指導焊管生產。

表10 標準實用線能量 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 相關系數

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

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

（2）模型相關系數r表示為：

3 研究高頻焊接鋁管線能量的意義

3.1 促進集流管穩定焊接

根據模型給出的線能量，反過來繪制焊接功率與焊接速度對應關系，見圖3，或者對照表11，并固化成工藝文件，供操作者嚴格執行，從而更好地規范焊接工藝[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)與焊接速度的對應關系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

一年多的生產實踐表明，操作者按表11施加焊接線能量，焊縫性能的穩定性顯著提高。焊縫離線探傷合格率從99.02%提高到99.97%，擴口、壓扁等破壞性試驗的合格率提高了1.3%，用戶對我司產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試

本文關于線能量的研究，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度，但是，能夠保證焊縫強度足夠好，既避免盲目調試，又極大地縮小了焊接線能量的摸索范圍，能更精準地指導新品種集流管的試制[7-10]。

4 結束語

焊接線能量對高頻焊接鋁合金冷凝器集流管生產的意義怎么高估都不為過。本文雖然僅針對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包括集流管在內的其他高頻焊管均具有指導意義。

此外，無論從生產統計報表（見表1～表6）看，還是實際操作過程看，復合鋁合金管坯的狀態H14，H24以及不同覆層材料AA4045，AA4343等，對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。