先進(jìn)焊接技術(shù)在變壓器用片式散熱器制造上的應(yīng)用

許宗陽(yáng)

（保定新勝冷卻設(shè)備有限公司，河北 保定 071052）

片式散熱器（以下簡(jiǎn)稱散熱器）形式如下圖所示。散熱器采用自冷方式對(duì)變壓器進(jìn)行冷卻，其熱交換介質(zhì)為空氣，通過(guò)變壓器油在散熱器和變壓器油箱中的循環(huán)，使變壓器油和外界空氣發(fā)生熱交換過(guò)程，從而達(dá)到對(duì)變壓器冷卻的目的。其制造中的主要焊接工藝有電阻點(diǎn)焊、活性氣體熔化及氣體保護(hù)焊。

圖1 鵝頸式變壓器用片式散熱器

1 先進(jìn)焊接工藝應(yīng)用

1.1 先進(jìn)焊接工藝在散熱器制造上的應(yīng)用

1.1.1 先進(jìn)電極材料電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是散熱器制造過(guò)程中非常重要的工藝環(huán)節(jié)，用于連接單個(gè)散熱片。電阻點(diǎn)焊用的電極，是一種消耗品。Cr-Zr-Cu電極具有較優(yōu)良的物理化學(xué)性能，且性價(jià)比極高，所以屬于應(yīng)用最廣泛的電阻點(diǎn)焊電極材料。但Cr-Zr-Cu電極在400℃左右時(shí)硬度急劇下降，導(dǎo)致其在使用時(shí)易發(fā)生變形，需要不定期對(duì)電極的外觀尺寸進(jìn)行修磨，以保證焊接質(zhì)量，降低了使用壽命。同時(shí)，Cr-Zr-Cu電極在對(duì)有鍍層材料（比如，鍍Zn、鍍Ni）進(jìn)行焊接時(shí)，普遍存在易黏連和壽命短等問(wèn)題，從另一方面限制了新型散熱器材料的開發(fā)和應(yīng)用。為解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的研究工作。

（1）彌散強(qiáng)化銅合金電極材料

彌散強(qiáng)化銅合金電極作為一種新型電阻點(diǎn)焊電極材料，最早由美國(guó)的SCM公司在1973年推出，其產(chǎn)品為Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金電極。相較于傳統(tǒng)的Cr-Zr-Cu電極，Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金的軟化溫度高達(dá)900～1000℃，大幅度減小了焊接時(shí)產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致電極外形發(fā)生變化的可能。此外，Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金還具有優(yōu)良的耐磨性和導(dǎo)電性，完全可以滿足碳鋼板電阻點(diǎn)焊時(shí)的性能要求。在焊接鍍層材料如鍍鋅鋼板時(shí)，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(kuò)散，減小脆性黃銅層的形成。有研究表明，其使用壽命可達(dá)傳統(tǒng)Cr-Zr-Cu電極的3～5倍，可大幅度降低綜合生產(chǎn)成本。

（2）涂層電極材料

除彌散強(qiáng)化銅合金電極材料外，涂層電極材料也是電阻點(diǎn)焊電極材料研究中一個(gè)重要且極其熱門的方向。通過(guò)在傳統(tǒng)Cr-Zr-Cu電極表面加工出異種金屬層的方式，進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)電極使用壽命，改善焊點(diǎn)成形，提高焊接質(zhì)量的目的。其優(yōu)良的工藝性能、低廉的制造成本，吸引了大量國(guó)內(nèi)外公司和學(xué)者開展研究工作。

涂層電極工藝一般是指在傳統(tǒng)Cr-Zr-Cu電極表面采用電火花堆焊工藝沉積涂覆硬質(zhì)合金Ti-C層，從而達(dá)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(wú)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(jìn)一步的使用，發(fā)現(xiàn)隨著焊點(diǎn)數(shù)量的增加，Zn會(huì)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(jìn)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(jī)的壽命。為解決這一問(wèn)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(wú)限固溶體的特性，將原有Cr-Zr-Cu基體/Ti-C層單層結(jié)構(gòu)，變?yōu)镃r-Zr-Cu基體/Ni層/金屬陶瓷涂層雙層結(jié)構(gòu)，改善了涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)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(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，雙涂層電極端部在點(diǎn)焊1200點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了較大的蝕坑，而普通電極在點(diǎn)焊100點(diǎn)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)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(guò)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(tǒng)MAG焊在焊接時(shí)漏率高且飛濺較多，是困擾本行業(yè)多年的一個(gè)重要問(wèn)題。

CMT（Cold Metal Transfer）焊接工藝，又稱冷金屬過(guò)渡焊接工藝。是奧地利Fronius公司開發(fā)的一種無(wú)飛濺焊接技術(shù)，最早于2004年初次對(duì)外公布。此項(xiàng)技術(shù)基于GMAW焊接工藝中的短路過(guò)渡開發(fā)而成，通過(guò)數(shù)字化的控制和協(xié)調(diào)焊接過(guò)程中的送絲與熔滴過(guò)渡過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、無(wú)飛濺的焊接過(guò)程。其原理如圖2所示。

圖2 CMT焊接過(guò)程

從圖中可以看出，當(dāng)短路電弧尖端與母材接觸并發(fā)生短路時(shí)，焊接電源檢測(cè)到短路信號(hào)，此時(shí)，電弧熄滅，焊絲回抽，幫助熔滴向熔池中過(guò)渡，進(jìn)而完成焊接過(guò)程。

相較于現(xiàn)有采用的MAG焊工藝，CMT焊接工藝具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）超低的總焊接熱輸入

現(xiàn)有的MAG焊工藝的熔滴在焊接過(guò)程時(shí)，借助短路時(shí)電流的增大進(jìn)而產(chǎn)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(guò)渡過(guò)程。而CMT焊接工藝過(guò)程中，當(dāng)焊絲尖端的焊絲熔化逐漸形成熔滴并且長(zhǎng)大并和熔池接觸發(fā)生短路時(shí)，CMT數(shù)字化控制系統(tǒng)檢測(cè)到恰當(dāng)?shù)男盘?hào)后，會(huì)控制焊接電源完全切斷電流發(fā)生熄弧，同時(shí)，送絲數(shù)字化控制系統(tǒng)控制焊絲回抽，幫助熔滴向熔池中過(guò)渡，這樣就實(shí)現(xiàn)了在無(wú)電流條件下的短路過(guò)渡，使得短路過(guò)渡中的總熱量降低到很低的水平，大幅度減小了整個(gè)焊接過(guò)程中熱輸入。

（2）超低飛濺

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

（3）電弧穩(wěn)定性高，成形質(zhì)量好

CMT焊接工藝可以依據(jù)不同的焊接狀態(tài)對(duì)電弧長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而保證了焊接過(guò)程中電弧長(zhǎng)度極其穩(wěn)定，進(jìn)而保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定。同時(shí)，由于CMT焊接可以實(shí)現(xiàn)焊絲回抽功能，因而使得短路過(guò)渡過(guò)程中不再有熱量急劇的變化，進(jìn)一步提升了短路過(guò)渡時(shí)的穩(wěn)定性。

從上述CMT焊接工藝的特點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，正是由于CMT焊接工藝超低的總熱輸入、焊接過(guò)程穩(wěn)定成形質(zhì)量好，弧長(zhǎng)穩(wěn)定和幾乎無(wú)飛濺等工藝特點(diǎn)，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(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景，其最薄板厚甚至可以達(dá)到0.3mm。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過(guò)程和良好的焊縫。這對(duì)于未來(lái)開發(fā)新材料散熱器產(chǎn)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(qiáng)的工藝適用性。

2 結(jié)語(yǔ)

變壓器用片式散熱器對(duì)于小容量變壓器的重要性不言而喻，而焊接技術(shù)在片式散熱器中占有重要地位，先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用不但能給企業(yè)帶來(lái)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于新產(chǎn)品的開發(fā)也具有極其強(qiáng)大的支撐作用，沒(méi)有先進(jìn)的焊接技術(shù)，是不可能成功開發(fā)出全新的片式散熱器產(chǎn)品的。