高頻直縫鋁焊管的焊縫解析

曹國富，曹麗珠

（南京凱博勒教育咨詢有限公司，南京 210000）

高頻直縫鋁焊管的焊縫一直以來都是最為薄弱的部位，汽車冷凝器集流管、水箱管等經常有焊縫泄露的相關報告。 尤其是一些對焊縫泄漏指標要求嚴格的鋁焊管焊縫缺陷，依靠壓扁、漲管、試爆等破壞性檢查手段大多都無法檢出，這就對高頻直縫鋁焊管的焊縫 （以下簡稱鋁焊縫） 檢測手段提出了新的挑戰，且要求對鋁焊縫有更加深入地了解。 本研究借助金相分析手段，從微觀角度對鋁焊縫進行分析，以求針對性地、精確地改善生產工藝，達到提高鋁焊管質量的目的。

1 高頻直縫焊接鋁管焊縫簡介

1.1 鋁焊縫的特征

（1） 焊接對象的動態變化。 鋁焊管成型和焊接過程如圖1 所示。 一定寬度的平直鋁管坯經多道次軋輥軋制，成為待焊開口管筒 （如圖1 （a）） 所示，焊接過程中，該開口管筒可以是開口圓環，也可以是除開口圓環以外的開口方矩形等異形開口環，而且，開口大小自始至終處于動態變化中，若以成型起點至焊接終點為一個周期，則其動態變化規律為

圖1 鋁焊管成型和焊接過程

式中： B——焊管用料寬度，mm；

D——成品管直徑，mm；

t——管壁厚度，mm；

b+——焊接前的成型管筒開口寬度，mm；

b——形成開口角前的待焊管筒開口寬度，mm；

c——開口寬度為b 時的弧長補償值，mm；

θ——變形角。

在圖1 中，開口首先從用料寬度B 經過成型軋制、逐漸變化到b+的寬度，然后寬度從b+變化到 b，直至當 θ 從 330°～340°變化到 360°時，b=0，表示管坯兩邊緣相遇，實現焊接。 由此可見，鋁焊縫的形成，是由管坯的高速縱向移動速度和管坯兩邊緣的高速接近速度合成而來。 目前，管坯的縱向移動速度即通常所說的焊接速度可高達 200 m/min，若按 80 m/min 的焊速生產Φ25 mm×1.3 mm 集流管，則管坯兩邊緣的接近速度達到 46.2 mm/s （2.772 m/min）[2]。

焊接對象的這種變化規律為高頻直縫焊管所特有，是區別于其他焊接方式的重要標志。 這既說明管坯邊緣相對高頻焊機的絕對變化與相對變化，又說明焊縫品質不僅與焊接工藝有關，還與成型工藝關系密切。

（2） 高能量密度焊接。 鋁焊縫的焊接熱源是能量密度極高的高頻電流。 Φ25 mm×1.3 mm 的冷凝器集流管，在焊接速度為80 m/min 時的焊接功率為17 kW，按加熱區長度50 mm、單邊加熱區寬度0.7 mm 計算，那么焊接單邊平均能量密度高達6.8×105kJ/mm3，而在臨近效應作用下，焊接點的能量密度更高。

（3） 加熱與擠壓同時進行。 待焊管坯兩邊緣被加熱到熔融溫度時，通過擠壓輥擠壓后形成焊縫。 也就是說，焊縫是焊接熱量和擠壓力等因素共同作用的產物。

（4） 自熔焊接。 焊縫是由管坯自身熔接而成，不存在焊絲填充與母材匹配問題[3]，使鋁焊縫在材質方面的構成相對單一。

（5） 焊接后存在內外毛刺。 焊接過程中，管坯邊緣的氧化物及部分熔融合金被擠出，形成內外毛刺。 外毛刺必須去除，內毛刺則依據鋁焊管用途，有的保留，有的需要去除。 將去除毛刺的焊縫稱為成品焊縫，毛刺去除前的焊縫稱為原始焊縫。

由此可見，因為焊接而產生了熔合線，并共生出高溫熔融區、熱影響區和內外毛刺，其形態、成分、特性等與焊縫息息相關，那些僅僅將融合線表述為焊縫的說法值得商榷； 而進一步解析鋁焊縫后，也從另一個方面證明了焊縫構成的豐富內涵。

1.2 原始鋁焊縫的構成

一條完整的原始鋁焊縫由熔合線、熔融區、熱影響區以及內、外毛刺5 個部分構成，如圖2所示。 在圖2 中，焊縫外側兩邊的白色條狀斑塊為覆層合金，其余部分是基板合金。 橫向看中間白色豎線為熔合線； 熔合線兩側深黑色、呈細腰鼓狀的是高溫熔融區，高溫熔融區外側的部位則是熱影響區。 這些區域都會不同程度地影響鋁焊縫的質量，因此有必要對其進行逐一解析。

圖2 單覆鋁焊管焊縫構成 50×

2 原始鋁焊縫解析

2.1 熔合線

2.1.1 熔合線的化學成分

鋁焊縫熔合線是鋁管坯經高溫焊接后遺留在焊縫中的烙印，熔合線中含有母材的合金元素，但由于高溫氧化作用含量會發生變化。 以4343/3003 和 4045/3005 復合鋁管坯為例，由于 4 系列Al-Si 覆層合金的熔點比3 系列基板Al-Mn 合金低約 60～80 ℃，先于 3003 和 3005 合金熔化，所以熔合線中通常不會含有4343 或4045 合金成分[4]。 或者說，熔合線的化學成分只與基板合金有關，表1 中熔合線化學成分的數值來源于能譜分析，3003 合金中的 Si 降幅最大，3005 合金中的Mg 降幅最大，而熔合線的命名便與合金中某種元素含量降幅最大有關。

表1 4343/3003 和4045/3005 復合鋁合金基板與熔合線的主要合金化學成分

2.1.2 熔合線的名稱

與焊接鋼管不同，焊接鋁管的熔合線名稱呈現多樣性，即使是同一系列合金，熔合線名稱也可能不同。 比較表 1 中 4343/3003 和 4045/3005 鋁管坯，焊接前后基板的主要合金元素含量雖然均有降低，但在 3003 合金的焊縫融合線中，w （Si）從0.58%降至0.21%，降幅為63.79%； 在3005 合金的焊縫熔合線中，w （Mg） 更是從0.59%驟降到0.17%，降幅高達71.19%。 于是，人們習慣上以降幅最大的合金元素來命名，分別稱3003 合金和3005 合金的焊縫熔合線為脫硅層與脫鎂層。

之所以會出現同為鋁錳系合金但融合線名稱不同的現象，是因為其主要合金元素不盡相同，前者主要為 Si、Fe、Cu、Mn、Zn，后者多一種Mg。 比較這些元素的熔點、沸點和引燃溫度（見表2），以及其親氧性后可以發現，某些合金元素在高溫時更易燒損，形成 “脫X 層”。

表2 鋁管坯主要合金元素的高溫特性

在3003 合金中，Mn 主要以化合物MnAl6的形態存在，而Si 與氧的親合力比Fe 和Cu 都強，焊接時Si 更易氧化成SiO2氣體逸出，致使熔合線中Si 含量明顯減少； 另一方面，雖然Zn 的熔點和沸點比Si 低，活性也比Si 強，但是其在合金中的絕對含量有限，燒損的絕對量與Si 比較可以忽略不計。 而在3005 合金中，Mn 依然以化合物 MnAl6的形態存在，Si、Cu、Fe、Zn 在達到焊接溫度時的氧化激烈程度都不及Mg，合金中的Mg 更易燒損，成為金屬蒸汽逸出，使焊縫中Mg 含量急劇降低[5]。

2.1.3 熔合線的表觀形態

焊縫熔合線既是焊接過程遺留在焊縫中的印記，也是工藝環境的真實寫照。 焊管生產工藝狀況不同，焊縫熔合線表現形態各異，正常熔合線呈現圖3 所示的窄腰狀。 熔合線呈窄腰狀的機理為： 在高頻電流集膚效應和臨近效應作用下，管坯上的感應電流幾乎都匯集到待焊管坯邊緣的內外層與對焊面處，在臨近效應和集膚效應的疊加效應作用下，待焊管坯邊緣內外角處的電流密度驟增，這樣根據焦耳定律，待焊管坯邊緣內外角區域的焊接溫度必然高于中性層部位，相應地，內外角區域的熔融合金寬度大于對焊面中性層部位，從而形成上下寬、中間窄的熔合線形態。

圖3 窄腰狀熔合線 50×

衡量熔合線形態的指標有清晰度、寬度、直度與夾雜等幾個方面：

（1） 清晰度。 正常生產工藝條件下的熔合線輪廓清晰，與熔融區 “涇渭分明” （圖2 所示）。可是，當生產工藝條件發生異常改變時，如焊接擠壓力過大或焊接溫度過低時，前者的熔合線模糊不清，后者的熔合線易出現微裂紋，如圖4 所示。

（2） 寬度。 熔合線寬度不僅與焊接熱量、功率、速度、擠壓力等工藝參數有關，還與管坯厚度、寬度及徑厚比有關。 大量統計數據分析發現，當壁厚 t=1～3 mm 時，熔合線平均寬度在0.01～0.05 mm，兩頭與腰部的比例在 1.5～1.8 左右 （圖3 所示），這時焊縫強度高，泄漏率低，管坯越厚，該比例越明顯。

（3） 直度。 熔合線應該垂直于管壁，若熔合線出現歪斜、S 彎或甩頭、甩尾等不規則形態，則說明生產工藝出現了問題。

（4） 夾雜。 大量鋁焊縫熔合線的金相檢測表明，熔合線中經常會夾雜一些3 系列合金所沒有的物質，經能譜分析證實，其絕大部分為氧化物[6]。

圖4 熔合線模糊與熔合線微裂紋

2.2 熔融區

2.2.1 熔融區的界定

鋁焊縫熔融區是指待焊鋁管坯兩邊緣被加熱到固液共存狀態的區域，焊合后一側與熔合線毗鄰，一側與熱影響區臨接。 該區域有3 個明顯特征： 一是高頻電流直接加熱的剩余區域 （另一部分是擠壓出去的毛刺）； 二是該區域很窄，通過對Φ20 mm×1.2 mm、Φ30 mm×1.5 mm 和 Φ43.5 mm×2.0 mm 三種鋁管各50 個焊縫 “細腰鼓” 數據的統計，大頭單邊平均寬度為0.416 mm，細腰單邊平均寬度為0.249 mm （見表3）； 三是盡管3 種管子的壁厚不同，但是他們的大頭及細腰單邊平均寬度都十分接近，最大差值不超過0.01 mm。

2.2.2 “細腰鼓” 熔融區的形成機理

與窄腰狀熔合線形成機理類似，“細腰鼓”熔融區也是高頻電流集膚效應和臨近效應對鋁管坯作用的結果。 管坯上集膚效應、臨近效應及邊緣熱量分布曲線如圖5 所示。 熔合線使絕大部分高頻電流從待焊鋁管坯的內外表層和對焊面表層流過，中性層處幾乎沒有電流 （圖5 （a））； 熔融區使沿待焊管坯V 形口流動的、兩股相向而行的高頻電流隨著對焊面距離的不斷接近 （公式（1）中b 不斷趨近于0），其電流密度不斷增大。 這樣，在這兩個效應共同作用下，上下角聚集了比中部更密集的高頻電流 （圖5 （b））； 根據電流熱效應原理，對焊面上下角的溫度必然比中心層高 （圖5 （c）），熔融寬度亦比中部寬，于是形成了 “細腰鼓” 熔融區。 “細腰鼓” 熔融區的冶金本質是合金中第二相、雜質等在高溫區范圍的重新分布[8]。

表3 高頻直縫鋁焊管焊縫“細腰鼓” 熔融區參數統計表[7]

圖5 待焊管壞上集膚效應與臨近效應及邊緣熱量分布曲線

另外，由于待焊管坯與感應線圈之間同樣存在臨近效應，而管坯外層相較內層與感應線圈的距離更近，使得外層的臨近效應高于內層，外層溫度稍高于內層，從而 “細腰鼓” 熔融區外層大頭比內層大頭略寬。

根據表 3 的焊接參數，由公式 （2） 可以計算出電流滲透深度的差值為2 μm，對熔融區寬度的影響甚微。 因此，驗證了表3 中大頭及細腰單邊平均寬度各自都十分接近，最大差值不超過0.03 mm 的結果。

式中： Δ——電流滲透深度；

ρ——鋁電阻率；

μ——鋁磁導率；

f——焊接頻率。

2.2.3 熔融區的組織

對狀態為H1 的鋁管坯，熔融區為完全再結晶組織。 因為在高頻焊接時，該部位的溫度接近熔點，導致原先因冷軋強化的纖維狀組織發生再結晶回復； 若焊接溫度稍高于熔點溫度，再結晶組織中晶界會明顯加粗變形，鋁合金中的第二相析出數量增多，這時，金相圖上的 “細腰鼓” 熔融區就會更清晰； 若焊接溫度過度高于熔點溫度，甚至會產生復熔球組織，越是靠近熔合線,存在復熔球組織的幾率就越高。 此外，與鋁焊縫熔融區并存的另一個現象是金屬流線。

2.2.4 金屬流線

鋁焊縫的金屬流線是在焊接時，在擠壓輥擠壓下管坯邊緣中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物、低熔點物質以及第二相等被拉長[9]，并沿擠壓力最小方向流動時所形成的纖維組織。 鋁焊縫的金屬流線形態有3 個特征：

（1） 上下看，兩簇金屬流線均呈 “正態分布”，但方向相反，如圖6 所示。 可借助正態分布函數，用公式 （3） 表示

其中，A 表征上簇流線扁平程度，當A＞0 時上簇流線比標準正態分布圖形要尖，說明擠壓力偏大；當A＜0 時則要扁平一些，說明擠壓力偏小。 B表征下簇流線扁平程度，B 越接近0，下簇流線越尖，但始終比上簇金屬流線扁平，即|f下（x）|

圖6 上下金屬流線頂角 50×

（2） 橫向看，上下兩簇金屬流線均以熔合線為對稱軸，越接近熔合線爬升角度越大，與峰值段對應的上簇金屬流線頂角約在40°～55°，比下簇金屬流線頂角約小 10°～15° （圖6 所示）。

金屬流線形貌的上下 “正態分布” 特征和左右對稱及角度特征是高頻直縫鋁焊管焊接過程的表現： 焊接時，熔融區的鋁合金在擠壓輥擠壓下，迫使這些金屬向壓力最小處流動，這時，焊縫外壁的熔融鋁合金受到來自擠壓輥孔型上邊緣的徑向約束，熔融金屬必然向沒有約束力的狹窄輥縫處流動，在輥縫處產生外毛刺的同時形成了上簇流線 （如圖 7 所示）。 同時，焊管內壁熔融金屬在徑向向下方向不但沒有任何約束，相反還受重力作用，當受到橫向擠壓力后，熔融鋁合金就會自然向下流動，繼而形成內毛刺與下簇金屬流線。 由于內壁熔融金屬向下流動時沒有額外阻力，也不需要從狹窄的輥縫通道擠出，故下簇流線頂角比上簇流線頂角大。 因此，可以視鋁焊縫的金屬流線為焊接擠壓力、焊接溫度、擠壓輥孔型、管坯邊緣對接狀態等的表征，并通過金屬流線來檢視實際工況。

圖7 上下簇金屬流線與內外毛刺形成過程的關系

（3） 金屬流線的形成是一個動態過程，其流動規律可以用公式 （4） 來表示

v上、v下——形成上、下簇金屬流線時的速度；

S上、S下——上、下簇金屬流線中最長流線的長度；

t上、t下——上、下簇金屬流線的形成時間。

公式 （4） 分別從流動速度、流動距離、流動時間和流動方向4 個方面反映熔融金屬的流動規律。 首先是流動時間相等，不管流動速度和流動距離如何，形成上下金屬流線的時間總是在同一時間段內開始與結束； 其次是流動距離，根據公式 （3） 和圖6，上簇流動距離大于下簇； 再次是流動速度，在正常生產工藝條件下，左右側應該相等，但上大于下； 第四，流動方向是從熱影響區高溫側向熔合線方向移動，匯聚在熔合線，起點是熱影響區。

2.3 熱影響區

2.3.1 再結晶溫度

在高頻焊接過程中，位于熔融區兩側外一定區域內的合金在焊接熱傳導作用下，其組織和性能都會發生一系列變化，金屬學上稱該區域為熱影響區[10]。 由于合金的種類和狀態繁多，組織和性能差異較大，這里僅針對狀態為H1 的冷軋不退火鋁管坯，在焊接前都呈現不同程度的縱向纖維組織。根據金屬學原理，當這類合金的縱向纖維組織遇到高溫時就會發生回復、再結晶與晶粒長大[11]。 與鋁焊縫熱影響區相匹配、狀態為H1 的鋁錳系合金的再結晶溫度為

式中： T再——焊縫再結晶溫度，℃；

T熔——鋁管坯熔點，℃；

k——鋁焊縫熱影響區的再結晶補償溫度，k=80～100 ℃，管壁薄取較大值； 反之取較小值。

雖然鋁管坯傳熱快，但是再結晶需要的溫度也高，兩者相抵，因此對熱影響區寬度的影響不大。

2.3.2 熱影響區寬度的影響因素

（1） 小直徑厚壁管比大直徑厚壁管的熱影響區寬。 根據高頻焊接原理，管徑小，用于聚集磁場的磁棒橫截面面積便小，聚磁能力差，待焊管坯邊緣臨近效應弱，電流密度低，達到焊接溫度所需的時間長，與此對應的熱傳導時間增加，熱影響區增寬。

（2） 熱影響區寬度與焊接功率、焊接速度的關系。 焊接同種規格鋁管，焊接功率高，則焊接速度快，熱傳導時間短，熱影響區窄； 反之，焊接功率低，焊接速度慢，熱傳導時間長，熱影響區寬。

（3） 熱影響區寬度與焊接開口角的關系。 在輸入功率不變的前提下，減小焊接開口角，臨近效應增加，需要加快焊接速度，這樣，熱傳導時間變短，熱影響區變窄。

2.3.3 熱影響區機械性能的變化

（1） 硬度變化。 以 Φ20 mm×1.2 mm、3003-H14 鋁管為例，鋁焊縫熱影響區硬度總降幅為14.15%，其中在回復區間內的硬度變化很小，只有0.8%左右； 再結晶開始階段硬度雖有降低，但降幅也僅有2.54%； 最大降幅出現在再結晶完成區與晶粒長大區之間，為10.93%； 而在晶粒長大后直至熔融區間的硬度差別不大，如圖8 所示。

圖8 3003-H14 鋁焊縫熱影響區組織變化及硬度與塑性變化曲線的關系

（2） 塑性。 分別對表 3 中的 3 種焊管進行60°擴口試驗，試驗結果顯示： 96%以上的減薄點集中在熔合線兩側0.2～1.8 mm，且某一側更顯著，同一個樣本，兩端的減薄點并非總在焊縫同一側，具有隨機性； 當繼續擴口至開裂，起裂點位置與最大減薄點位置高度重合，說明熔合線兩側的熔融區和熱影響區強度低，相較非焊縫部位，塑性變形首先在包括熱影響區在內的焊接區域發生，破壞也首先從該區域開始。

2.4 內外毛刺

（1） 成分。 鋁焊縫的毛刺主要由氧化鋁和基板合金構成，內外毛刺形貌及成分如圖9 所示。在圖9 （a） 所示的內毛刺上，藍圈范圍內的是基板合金，這部分在焊接過程中沒有被氧化，其余部分或多或少地要與空氣接觸并氧化，主要成分是 Al2O3。

（2） 形貌。 毛刺的形貌和尺寸除了取決于焊接溫度、焊接速度、毛刺去除深淺、刀頭幾何形狀等因素外，很大程度上還與擠壓力大小有關。擠壓力大，擠出量多，毛刺大； 擠壓力小，擠出量少，毛刺小[12]。

圖9 鋁焊縫內外毛刺形貌

從橫斷面看，內毛刺為圖 9 （a） 所示的倒“叢” 字形雙峰，峰部為 Al2O3熔滴，從熔滴開始至上部，中間有一條清晰的縫隙，展示了內毛刺的形成過程及其工藝狀態。 首先是被氧化的對焊面最內層觸碰，隨著管坯前行擠壓力逐漸增大，觸碰的部位逐漸向上延伸，并且留下觸碰痕跡——縫隙，縫隙兩側是剛剛被氧化的待焊管筒內緣邊緣； 當擠壓力達到最大值時，兩邊緣被完全擠焊在一起，同時將對焊面上的氧化物向下（外毛刺向上） 全部擠出，結晶出根部，由氧化物形成的縫隙消失，完成焊接。 如果縫隙一直貫穿到毛刺根部之頂，那么所去除的毛刺就會開裂、分叉，說明擠壓力或者焊接溫度等工藝參數存在問題，并因此導致焊縫裂紋、氧化物夾雜等缺陷。

3 結 論

（1） 高頻焊接產生了熔合線、高溫熔融區、熱影響區以及內外毛刺，他們是原始鋁焊縫的有機組成部分，并且各自以獨特的形態、成分、形成機理與焊縫質態形成映射[13]。 因此，將鋁焊縫分為原始焊縫和成品焊縫，對全面、準確認識焊縫和評價焊縫具有重要意義。

（2） 借助金相分析手段對鋁焊縫進行解析，從微觀角度準確、全面了解鋁焊縫，能夠發現鋁焊管生產工藝留下的諸多信息，通過解讀這些信息，就可有針對性地改善生產工藝，進而從根本上提高鋁焊縫品質。