鋁管坯焊接特性對(duì)高頻鋁焊管焊接的影響初探

曹 笈，曹?chē)?guó)富

（南京凱博勒教育咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210000）

在人類(lèi)生產(chǎn)實(shí)踐的歷史長(zhǎng)河中，有些實(shí)踐活動(dòng)是在具體理論指導(dǎo)下進(jìn)行的；有些是通過(guò)類(lèi)比，借助某種理論“依葫蘆畫(huà)瓢”進(jìn)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(dǎo)下發(fā)展起來(lái)的。但是，由于鋁管坯的力學(xué)性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等，尤其是與焊接直接相關(guān)的后5種性能，都與高頻焊接鋼管大相徑庭，這就使得關(guān)于高頻鋁焊管的焊接理論較為模糊。到目前為止，鮮見(jiàn)系統(tǒng)完整的結(jié)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(diǎn)相結(jié)合的文字資料，以及能夠有效指導(dǎo)鋁焊管焊接的理論。

從鋁和鋁合金與焊接有關(guān)的一系列特性出發(fā)，探討這些特性對(duì)高頻直縫鋁焊管焊接的影響，并逐步建立起獨(dú)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(guān)的鋁管坯特性

鋁管坯與焊接有關(guān)的特性指鋁和鋁合金的熱學(xué)性能、化學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等，見(jiàn)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(jiǎn)介

高頻焊接原理是建立在電磁學(xué)理論中的焦耳—楞次定律基礎(chǔ)之上，并充分利用了高頻電流的臨近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，使待焊管坯中的感應(yīng)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(xù)升溫，在達(dá)到金屬熔融溫度時(shí)由擠壓輥提供擠壓力實(shí)現(xiàn)焊接，如圖1所示。

加熱時(shí)間極短和加熱區(qū)域窄且溫度分布極不均勻是高頻焊接的2個(gè)最顯著特點(diǎn)[2]。

(1)將金屬加熱到焊接溫度的時(shí)間極短。表2為采用型號(hào)為50的機(jī)組對(duì)鋁和鐵進(jìn)行感應(yīng)加熱，感應(yīng)圈前面與兩擠壓輥中心連線的距離為80 mm時(shí)加熱到焊接溫度用時(shí)的參考值。為從表2可以看出，在焊接速度為40～100 m·min-1內(nèi)完成焊接用時(shí)均在毫秒級(jí)，即從室溫加熱到焊接溫度，用時(shí)極短，且焊接速度可達(dá)每分鐘數(shù)百米，是諸如電弧焊、埋弧焊、氣焊等無(wú)法比擬的。

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

表2 感應(yīng)加熱用時(shí)參考值Tab.2 Reference value of induction heating process

(2)加熱區(qū)域窄且溫度分布不均。在高頻電流臨近效應(yīng)和集膚效應(yīng)作用下，管坯上的感應(yīng)電流高度集中在圖1所示管坯內(nèi)外表面—集膚效應(yīng)（管坯橫截面上的箭線）和待焊管坯兩邊緣—鄰近效應(yīng)（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(dǎo)率；f為高頻電流頻率。

而由鄰近效應(yīng)決定的、匯聚到待焊管坯邊緣的高頻電流區(qū)域δ也僅有幾十微米至數(shù)百微米寬，頻率越高區(qū)域越窄。而且由該電流引起的焦耳熱能在整個(gè)加熱焊接區(qū)段溫差很大，見(jiàn)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(shù)；F為焊接斷面面積；L為焊接區(qū)長(zhǎng)度；V為焊接速度。

高頻焊接原理及其2個(gè)基本特點(diǎn)只有與鋁管坯焊接特性相結(jié)合，并充分考慮鋁管坯焊接特性對(duì)高頻鋁焊縫的影響，才能獲得優(yōu)質(zhì)的高頻焊接鋁焊縫。

圖2 AA3003待焊鋁管坯邊緣焊接區(qū)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(duì)高頻鋁焊的影響

2.1 熔點(diǎn)

（1）與焊接鋼管比，鋁管坯熔點(diǎn)低。由于鋁的熔點(diǎn)約是鐵的43%，所以從加熱開(kāi)始到完成焊接的工藝時(shí)間鋁比鐵更短，約短57%；也就是說(shuō)，以相同的焊接速度和加熱距離來(lái)焊接相同規(guī)格鋁管和鋼管時(shí)，當(dāng)以焊接鋼管的時(shí)間來(lái)焊接鋁管，且只根據(jù)鋁和鐵的熔點(diǎn)來(lái)判斷，鋁焊縫必定被燒熔掉。因此，要求焊接鋁管時(shí)至少應(yīng)將焊接時(shí)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(fù)合管 3003/4032（4043）和 3004/4032（4043）的液相線、固相線、過(guò)燒溫度以及焊接溫度可以調(diào)節(jié)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(duì)焊縫強(qiáng)度的影響甚微，所以焊縫實(shí)際上是由芯層構(gòu)成。而芯層焊接溫度可調(diào)節(jié)范圍為 643～654 ℃或 629～654 ℃，與Q195鋼的焊接可調(diào)節(jié)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(shù)10倍，這就要求必須對(duì)高頻鋁焊縫的焊接溫度進(jìn)行更為精準(zhǔn)的控制，否則焊縫不是過(guò)燒就是冷焊。

表3 常用鋁合金復(fù)合管的液相線溫度、固相線溫度、過(guò)燒溫度及焊接溫度可調(diào)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(xué)原理看，允差越小，控制難度越大；加熱焊接區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，出現(xiàn)偏差的幾率越高。

由（2）式可知，當(dāng)焊管規(guī)格、焊接速度和焊接電流確定之后，管坯電阻、金屬物理系數(shù)、焊接斷面面積都是定值，影響焊接溫度穩(wěn)定的是焊接區(qū)長(zhǎng)度。因此，要對(duì)焊縫溫度實(shí)施精準(zhǔn)控制，最佳途徑是盡可能縮短焊接區(qū)長(zhǎng)度。

縮短焊接區(qū)長(zhǎng)度對(duì)鋁合金焊管的焊接至少意味以下2點(diǎn)：

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(zhǔn)的溫度下進(jìn)行焊接，便于對(duì)焊接溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，這對(duì)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(qū)長(zhǎng)度可以使高溫?zé)醾鲗?dǎo)寬度變窄，焊縫熱影響區(qū)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(dǎo)率

鋁的熱導(dǎo)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(qū)域（δ+δ′）因傳熱快而增寬，熱量損失亦多。焊接時(shí)為了彌補(bǔ)鋁材傳熱快和散熱多導(dǎo)致邊緣焊接熱量由直接加熱區(qū)域δ迅速向δ′直至整個(gè)管體傳導(dǎo)、繼而導(dǎo)致焊接區(qū)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(qū)長(zhǎng)度。

同理，由于鋁的傳熱系數(shù)大，熱阻小，降溫更快；焊接區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(shí)，鋁吸收或釋放的熱量比鐵多將近1倍，說(shuō)明在相同的焊接環(huán)境中，一方面，焊接鋁管需要的相對(duì)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(diào)節(jié)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(shí)，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)看不到顏色變化，對(duì)焊接區(qū)溫度波動(dòng)的判斷與調(diào)節(jié)不像焊接鋼管那樣清晰，極易造成焊縫冷焊或過(guò)燒，甚至燒熔。因此，試圖通過(guò)增加或降低焊接熱量來(lái)調(diào)節(jié)焊接溫度對(duì)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(jù)熔解熱的定義有：

式中：Q為熱量；Lf為熔解熱；m為物質(zhì)質(zhì)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(guò)程中，管坯邊緣由熔點(diǎn)時(shí)的固態(tài)到熔化成液態(tài)所吸收的熱量比鐵的少得多，用時(shí)更短，熔化更快，待焊鋁管坯邊緣被熔化燒損的風(fēng)險(xiǎn)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(dá)到熔點(diǎn)后仍然呈晶體狀態(tài)的待焊鋁管坯邊緣極易在瞬間熔化、燒熔掉。

因此，預(yù)防鋁焊縫過(guò)燒和燒熔是鋁焊管工藝永恒的命題，比預(yù)防冷焊更緊迫。某企業(yè)對(duì)217 個(gè)復(fù)合鋁合金冷凝器集流管焊縫缺陷樣本的分析結(jié)果也證明，焊縫存在復(fù)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(jiàn)表4。該統(tǒng)計(jì)結(jié)果是大多數(shù)操作者“輕過(guò)燒、重冷焊”思維慣性的必然，原因是從事鋁焊管焊接的調(diào)整工大多數(shù)來(lái)自于高頻焊接鋼管行業(yè)，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(yuǎn)高于鋁管坯，不易形成焊縫過(guò)燒，此問(wèn)題在冷焊缺陷中常見(jiàn)。

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

2.5 磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率不僅關(guān)乎高頻電流的集膚深度，還關(guān)乎管坯在磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱。弱磁導(dǎo)率的鋁管坯，對(duì)高頻直縫鋁焊管的影響表現(xiàn)在這2個(gè)方面：

(1)高頻電流集膚深度Δ。由于鋁是非導(dǎo)磁體或者更準(zhǔn)確地說(shuō)是弱導(dǎo)磁體，其μ鋁＜＜μ鐵，根據(jù)高頻電流集膚深度Δ與磁導(dǎo)率μ的關(guān)系式（1）可知，在相同頻率下Δ鋁＞Δ鐵，對(duì)焊接的影響要視實(shí)際工況具體分析。

①對(duì)高頻焊接厚壁鋁管來(lái)說(shuō)，電流滲透深度深意味著由通電感應(yīng)圈提供的熱能相對(duì)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(shí)由于熱傳導(dǎo)快，在加熱焊接過(guò)程中還會(huì)造成大量熱量從厚壁鋁管體周身散失。

②對(duì)薄壁鋁管的焊接則較為有利，如焊接汽車(chē)水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)“全壁厚”加熱。且既無(wú)需擔(dān)憂(yōu)因“全壁厚”加熱而導(dǎo)致熱損過(guò)多問(wèn)題，又不用考慮弱導(dǎo)磁體鋁管坯在磁場(chǎng)中較弱的磁感應(yīng)強(qiáng)度問(wèn)題，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高速焊接[10]。

(2)鋁管坯上的磁感應(yīng)強(qiáng)度弱。依據(jù)高頻焊接原理圖（見(jiàn)圖1）可知，弱導(dǎo)磁體鋁管坯在磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度弱，從而對(duì)賦有集中磁場(chǎng)功能的磁棒或阻抗器的性能提出更高要求，使之既能彌補(bǔ)弱導(dǎo)磁體鋁管坯在磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又能提高待焊鋁管坯邊緣的熱功率密度。

2.6 高溫強(qiáng)度

鋁的高溫強(qiáng)度極低，在370 ℃時(shí)的強(qiáng)度僅有9.81×10-6MPa[11]。若加熱焊接區(qū)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致圖3中處于高溫熔融狀態(tài)δ區(qū)域內(nèi)的待焊鋁管坯邊緣在重力作用下失去原始形貌，無(wú)法滿(mǎn)足焊接工藝所要求的待焊管坯兩邊緣平行對(duì)接。而確保高溫熔融狀態(tài)的待焊管坯兩邊緣原始幾何形貌不發(fā)生坍塌，是確保待焊管坯兩邊緣平行對(duì)接的前提，也是獲得規(guī)整焊縫熔合線的基本前提，更是焊縫品質(zhì)的基本保證。

圖3 感應(yīng)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(huì)有顏色變化，因?yàn)榻饘僭拥暮送怆娮邮艿郊ぐl(fā)時(shí)由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)（吸熱），然后由于電子在高能級(jí)不穩(wěn)定，又回到低能級(jí)（放熱），這時(shí)就將多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，并且由于原子結(jié)構(gòu)和所吸收的能量不同，會(huì)在能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出含有特定波長(zhǎng)的光線，這些不同波長(zhǎng)的光線表現(xiàn)在光譜上就是不同的顏色。有些金屬釋放出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光線，如鐵在600 ℃時(shí)會(huì)呈暗紅色，800 ℃時(shí)會(huì)呈橙紅色，900 ℃以上則會(huì)呈現(xiàn)橙黃色；而鋁被加熱后看不到顏色變化，并不是沒(méi)有發(fā)生顏色變化，而是鋁在加熱過(guò)程中所釋放的光線之波長(zhǎng)不在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，看不到顏色變化。當(dāng)肉眼看不到被加熱的待焊鋁管坯邊緣顏色變化時(shí)，就很難判斷待焊管坯邊緣的溫度狀況，由此增加了焊縫質(zhì)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(guò)程中，其體積不可避免地會(huì)發(fā)生膨脹，同時(shí)產(chǎn)生膨脹壓力，該壓力與來(lái)自焊接擠壓輥的擠壓力疊加后，會(huì)將部分高溫熔融鋁合金以鋁飛屑的形態(tài)飛離管體。由于鋁飛屑在形成之前和形成過(guò)程中實(shí)際上已經(jīng)或多或少地被氧化，其氧化物主要成分是Al2O3。而Al2O3在600～700 ℃時(shí)會(huì)發(fā)出黃白色[12]。操作者可根據(jù)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(qiáng)親氧性特征，常溫下數(shù)小時(shí)就被氧化，高溫時(shí)瞬間氧化，生成厚度為0.1～0.2 μm的高熔點(diǎn)（2 050 ℃）、大密度（3.783 g·㎝-3）、致密難熔的Al2O3薄膜。焊接過(guò)程中Al2O3薄膜浮升速度慢，常以?shī)A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(shí)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(duì)鋁焊縫的不利影響。

由此可見(jiàn)，鋁管坯這些焊接特性，對(duì)高頻焊接都有一個(gè)共同要求—盡可能縮短加熱焊接時(shí)間，進(jìn)而既縮短高溫待焊管坯邊緣被熔化和被氧化的時(shí)間，又降低因熱傳導(dǎo)快和熱損多造成焊接溫度波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3 縮短高頻鋁焊時(shí)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(yīng)圈外圓半徑R圈由焊管外徑?jīng)Q定，擠壓輥與感應(yīng)圈前面的工藝間隙a、感應(yīng)圈起熱長(zhǎng)度b等都是定值，要縮短焊接時(shí)間，唯有減小擠壓輥中心連線與感應(yīng)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(jiàn)（4）式[13]

式中：S′為擠壓輥中心連線與感應(yīng)圈前面的工藝距離。

然而，根據(jù)目前鋁焊管用擠壓輥的設(shè)計(jì)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(jù)筆者研究，通過(guò)改變現(xiàn)有擠壓輥的設(shè)計(jì)方案，將擠壓輥外徑減小30%～50%并因之使距離S相應(yīng)縮短35%～55%是可行的，焊接用時(shí)也將在原有基礎(chǔ)上同步縮短35%～55%。如當(dāng)焊接速度為80 m·min-1時(shí)，原加熱焊接用時(shí) 25.8 ms（見(jiàn)表 2），用外徑縮小后的擠壓輥進(jìn)行焊接，只需用時(shí)11.61～16.77 ms，這樣，高頻直縫鋁焊管的焊縫品質(zhì)會(huì)因?yàn)榧訜岷附訒r(shí)間大幅縮短而顯著改善。

圖4 鋁焊管用現(xiàn)有擠壓輥設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of existing extrusion roller for welded aluminum pipe

需要指出，無(wú)需擔(dān)憂(yōu)（2）式中因焊接區(qū)長(zhǎng)度縮短而導(dǎo)致焊接溫度不足。原因是：鋁管坯熔點(diǎn)低，由室溫達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間極短，加熱焊接區(qū)長(zhǎng)度越短越好；根據(jù)（2）式可知，當(dāng)焊接相同鋁焊管時(shí)，若焊接區(qū)長(zhǎng)度由L縮短L1，要保持焊接溫度不變，只要依據(jù)（5）式恰當(dāng)增大焊接電流即可。

式中：I1和L1分別為焊接區(qū)長(zhǎng)度縮短后的焊接電流和長(zhǎng)度；I和L分別是焊接區(qū)長(zhǎng)度縮短前的焊接電流和長(zhǎng)度。

3.2 適當(dāng)提高高頻電流頻率

為了彌補(bǔ)鋁材是弱導(dǎo)磁體造成的電流滲透深度深以及由此帶來(lái)焊接厚壁鋁焊管熱損多、加熱焊接時(shí)間長(zhǎng)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(guò)提高焊接電流頻率能夠顯著減小電流滲透深度，進(jìn)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(dá)成集中更多焊接熱量、用更短時(shí)間完成焊接的目的。

3.3 強(qiáng)化磁棒功效

可從磁棒的磁導(dǎo)率、磁棒外徑、磁棒面積、磁棒長(zhǎng)度、磁棒冷卻等方面入手提高磁棒使用效率。

4 結(jié) 論

（1）將高頻焊接原理與鋁管坯焊接特性相結(jié)合，可獲得高品質(zhì)的鋁焊縫。

（2）鋁管坯特性如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱阻、熔解熱、比熱容、高溫強(qiáng)度、磁導(dǎo)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(zhì)；其中，鋁管坯熱學(xué)性能對(duì)焊接的影響最突出，可通過(guò)減小焊接擠壓輥外徑、提高焊接電流頻率、強(qiáng)化磁棒功效等縮短焊接時(shí)間。