面向制冷行业在线应用的铝铝感应钎焊

GXF360 2017-06-15

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面向制冷行业在线应用的铝铝感应钎焊

鲍成坤1 聂圣源2 赵越1

(1.中国海洋大学，山东青岛 266100; 2.青岛海尔股份有限公司，山东青岛 266510)

摘要：铝管由于其熔点低，在焊接的过程中很容易烧破，致使管壁减薄或管路泄漏。所以，制冷行业的铝铝管路基本采用洛克环进行连接，洛克环连接的成本较高，并且洛克环在本质上不属于焊接，在安装工艺不成熟时也会存在较大比例的焊漏率；铝铝感应钎焊在工艺成熟的前提下可以实现铝管的低成本连接，并且焊接效果稳定，降低焊漏率。针对铝铝管的感应钎焊进行研究，并探究铝铝感应钎焊的在线应用条件，推动感应钎焊在制冷行业铝铝管路连接中的应用和发展。

关键词：铝铝管路感应钎焊在线应用

0 序言

铝是一种比较廉价并且耐蚀性较好的金属，中国的铝资源比较丰富，所以在制冷行业中用铝来替代价格比较贵的铜是一种不可逆转的趋势。区别于铜和钢的高熔点，铝的熔点比较低，仅有660 ℃,且铝的密度比较小，相同体积的金属其质量就更小。所以，在吸收相同热量的情况下，铝的温度升高的更高,这些问题都造成了铝铝焊接的困难[1]。

目前，制冷管路的铝铝连接主要采用洛克环连接，少数采用火焰钎焊。但是由于洛克环连接和铝铝火焰钎焊存在诸多问题，开发铝铝感应钎焊技术成为制冷行业管路连接的需要。又因为铝硅钎料与铝管的熔点相当接近，导致铝铝的感应钎焊存在一定的难度，容易造成铝管的烧蚀。为了解决这一问题，文中进行了铝铝感应钎焊的工艺研究，并缩短焊接所需要的时间，力求将试验结果运用在实际生产当中。

在铝铝感应钎焊工艺的研究中，文中充分运用了X射线探伤在制冷管路焊接质量检测上的优势，通过探伤的结果不断的改进工艺参数，既节省了研发时间又能很好的发现反应铝铝管路在焊接过程中出现的问题。

1 铝铝管路连接现状

1.1 洛克环连接

在制冷行业的管路连接中洛克环连接占了比较大的一部分比例。洛克环是德国福尔康lokring公司的专利产品，洛克环技术是利用冷挤压塑性变形原理，达到铝与铝之间、铝与铜、铜与铜、铜与钢、铜与钛之间的紧密连接，专门用于连接小直径的有色金属管材。洛克环连接实现了无明火操作，但由于其在实质上不属于焊接，金属组织间未达到原子间的结合，并且洛克环的密封长度较小，一般在1.2 mm左右，洛克环连接所使用的密封液原则上需要15 min左右的凝固时间[2]，在连接工艺不成熟的情况下其泄漏比例比较高。所以洛克环连接存在很大的不稳定性，并且可能伴随着使用中的泄漏隐患。

1.2 铝铝火焰钎焊

铝铝火焰钎焊目前小范围的应用在铝管蒸发器的焊接，但由于铝管在加热时没有颜色的变化，且熔点较低，所以铝铝火焰钎焊存在一定的难度，需多加练习进行掌握，即需要焊接工人自身熟练的焊接技术和经验支持[3]。并且，在火焰钎焊时每次的调火温度不一定相同，因此焊接质量具有一定的不确定性。

1.3 铝铝感应钎焊

目前感应钎焊已被运用在制冷管路的焊接中，主要有铜铜管路、铜钢管路和钢钢管路，但在铝铝管路的焊接中还没有运用。铝铝感应钎焊采用高频感应焊机进行焊接，其焊接功率和焊接时间均可调并固定[4]。焊枪的焊接位置也可以由定位装置进行固定，在整个过程中使得人为因素对焊接质量的影响降到最低。感应钎焊利用机器设定程序完成管路连接，对操作要求低，重复性和可靠性高，焊接过程安全环保，感应器配备柔性电缆时可以满足在线生产的要求[5]。

前期铝铝感应钎焊已成功试验，验证了其可行性，但由于焊接时间较长，不适合在线生产运用。该试验在中国海洋大学韩文军等人试验的基础上(焊接时间9 s，功率60%)进行试验,进一步降低铝铝感应钎焊的时间，促进铝铝感应钎焊的在线应用。

2 铝铝感应钎焊的试验方案

试验的高频感应焊机为EFD公司的MINAC 6/10，如图1所示，最高功率可达10 kW，长时间稳定工作功率可达6 kW。试验采用特制的感应器，如图2所示，铝管的规格型号分别为1060系φ8 mm×0.75 mm和其扩口管以及翻边扩口管，如图3～4所示。选用Al-Si钎料[6]，药芯焊环，丝径φ1.2 mm。

图1 易孚迪感应焊机

图2 铝铝感应器

图3 插入管

图4 套管

试验首先采用100%的功率进行加热至焊接完成。此种方法加热铝管不容易控制焊环的熔化过程，铝铝管路经常被烧断或烧破，如图5所示。这是因为铝管在加热熔化时颜色不发生变化，所以采用一次加热难以控制焊接的效果，因此尝试改变焊接的方法。

图5 铝管烧断与烧破

试验采用曲线加热的方法而不是定功率加热，即整个过程的加热功率是改变的，感应加热过程如图6所示。感应焊机可以通过设置程序来调节焊接参数，并且可以分多个步骤进行焊接。每个步骤均可设置一个焊接功率和焊接时间，从而实现曲线加热。

图6 曲线加热与定功率加热

为了达到减少焊接时间的目的，开始加热的功率为100%，后续采用略低的功率点动加热。为了得到铝管在100%功率下熔化的时间，采用100%的功率加热铝铝管，直至铝管烧破或烧断。多次进行试验，分别统计其最小值和平均值，结果见表1。

由以上试验可以知道在100%的功率下，铝管被烧破所用的最短时间为4.9 s。因此文中试验确定保持功率为100%时的加热时间小于4.6 s，保证焊环还未融化，铝管不被烧破，此过程为焊接的第一段。后续的加热参数为试验探究的重点。最终目标是将焊接时间控制在6.5 s以内，以适应生产线的节拍。

表1 100%功率烧破铝管所用时间的统计表

编号100%功率加热烧破时间/s1#5.12#5.23#4.94#5.25#5.36#5.07#5.28#5.1

在铝铝感应钎焊的过程中，感应器的位置非常重要。当焊接位置不正确或者出现感应器与铝管轴向偏斜时即会出现铝管烧破的情况。所以在铝铝感应焊接的过程中感应器相对于铝管的位置也极为重要。

根据所焊接的铝管管路的特点，在铝铝感应器上加装定位装置。主要实现感应器轴心与铝管轴向的平行及重合，以及感应器与铝管插管口位置的固定，减少或避免铝管的烧损。该定位装置是根据试验中铝管规格设计的，由铁氧体材料经过特殊的工艺压制而成，如图7所示。定位块在感应器上的应用示例如图8所示，图9为扩口铝管图。

由100%功率焊接铝管的试验可知，在100%功率进行铝铝管路的感应钎焊时，其加热速度比较快且后期加热过程不可控[7]。因此文中设计两组曲线感应加热试验，详见表2～3。试验选用了两种结构的套管，一种是不翻边的铝套管试验，该铝套管是直接扩管而成(表2)；另一种是对扩口后的管口进行翻边处理，增大焊环熔化后进入套管的角度(表3)。

图7 定位块

图8 定位块安装在感应器上的应用

图9 扩口铝管感应器的的定位装置图

通过以上试验可以总结出铝管钎焊过程中的烧损与焊接功率和焊接时间的趋势关系。在高功率焊接时，可以在较短的时间内将被焊铝管和焊环加热到较高的温度，实现焊环的熔化，甚至伴随着铝管的烧损；中间暂停加热并不能在根本上缩短总的焊接时间；后续的加热功率过高时由于结束加热温度的不稳定性，极易烧破铝管。

表2 试验A

方案是否翻边总焊接时间/s100%功率焊接时间/s暂停时间/s后续平均加热时间/s后续加热功率(%)焊接效果评价1否6.14.002.180烧破较多2否6.64.002.675部分烧破3否5.84.201.680烧破较多4否6.24.202.075部分烧破5否5.94.00.51.490烧破严重6否5.84.00.51.3100烧破严重7否6.04.20.51.390烧破严重8否5.84.20.51.1100烧破严重

表3 试验B

方案是否翻边总焊接时间/s100%功率焊接时间/s暂停时间/s后续平均加热时间/s后续加热功率(%)焊接效果评价1是6.24.002.280烧破较多2是6.74.002.775部分烧破3是5.84.201.680烧破较多4是6.44.202.275部分烧破5是6.04.00.51.590烧破严重6是5.84.00.51.3100烧破严重7是5.94.20.51.290烧破严重8是5.64.20.50.9100烧破严重

为了降低铝管烧损的程度或者避免铝管的烧损，依托该试验感应焊机的曲线加热的程序，对铝管管路采用曲线加热的方法进行焊接。在韩文军等人9秒65%功率的焊接参数的基础上，以及对以上试验结果的分析，最终确定了以高功率加热尽量长的时间，低功率加热至焊环熔化的试验思路，试验见表4。

表4 竖焊试验

方案是否翻边总焊接时间/s100%功率焊接时间/s暂停时间/s后续平均加热时间/s后续加热功率(%)焊接效果评价1否7.54.003.560较好2否6.74.002.765较好3否7.14.502.660较好4否6.04.501.565较好5是7.64.003.660较好6是6.54.002.565较好7是7.24.502.760较好8是6.04.501.565较好

采用80%和75%的功率作为焊接的结束功率的焊接效果不好，铝管烧损比较严重。所以采用较低的功率作为曲线加热的结束功率。以下为后续的试验方案。

由以上竖焊试验可以总结出：以100%功率加热较长的时间，再以低功率结束加热可以起到缩短加热时间和避免铝管烧损的效果；铝管是否翻边对焊接时间的影响并不大。因此,后续试验均采用不翻边的铝管。

由于在很多生产线上铝管所处的位置是水平的，即要涉及到铝管的横焊试验。因此，根据铝管的竖焊试验结果进行铝管的横焊试验。在竖焊试验的基础上进行有针对性的横焊试验，尽量使得试验结果可以满足生产现场的应用条件。

通过横焊试验与竖焊试验的对比发现：横焊与竖焊的焊接最佳焊接位置基本相同，在横焊过程中存在钎料因重力作用，在横焊管路的下方形成焊瘤的问题。

3 试验结果及分析

通过以上一系列试验，并对试验结果进行分析可以得出结论：①加热功率越大，焊接完成所需的时间越短；②加热功率越大，后续升温过程越不容易控制，容易造成铝管的烧断或烧破；③加热功率越小，焊接后铝管烧损情况越轻微，焊接时间加长，不适合生产现场的应用；④采用曲线加热的方法加热铝管可以起到较好的焊接效果。先用大功率加热后采用小功率完成加热，既可以起到减少焊接时间的效果又可以减轻铝管的烧损。

3.1 两种钎焊参数下的探伤结果对比

X射线探伤广泛运用在焊接材料的无损检测中，但在制冷管路的焊接中还未得到运用。通过对铝铝感应钎焊管路的X探伤照片进行分析以及对钎焊填缝深度进行统计，可以看出钎焊深度以及具体的钎焊填缝情况，如图10～11所示。

图10 低功率长时间加热管路的探伤图

图11 曲线加热管路的探伤图

统计此种加热方式的填缝深度，计算其平均填缝深度为5.3 mm。由探伤照片可以发现图10a的填缝深度很深，基本到插管的底部；图10b的左侧下方有一个小的未熔合缺陷(阴影区)。

统计此种加热方式的填缝深度，计算其平均填缝深度为5.1 mm。由探伤照片可以发现图11a的填缝深度很深；图11b左侧中间存在一个微小的未熔合，右侧的底部存在一个约4 mm长的未熔合，说明该铝铝管路的右侧钎料未填满。

对比两种加热方式的探伤结果可以得出结论：两种加热方式的填缝深度均可以达到制冷管路钎焊3 mm填缝深度的要求，且平均填缝深度的差异不大。

3.2 两种钎焊参数下的微观组织对比

由于加热方式的不同，铝铝管路在焊接之后的微观组织可能存在差异。为验证两种加热方式对焊后微观组织的影响，对两种管路进行金相组织观察，低功率长时间焊接的金相组织如图12所示，曲线加热焊接的微观组织如图13所示。

图12 低功率长时间焊接的金相组织

图13 曲线加热焊接的微观组织

对比以上两种加热方式铝管的微观组织可以得出：低功率长时间加热的方式焊缝的树枝晶和晶间组织的区分比较明显，各自所占的比例大小也相当；曲线加热焊接的管路焊缝的树枝晶很大，晶间组织所占比例较小，说明此种焊接方式使得焊缝的组织更加均匀。