曹國富，姜榮生，曹麗珠

（上海薩新熱傳輸材料有限公司 ，江蘇 東臺224000）

冷凝器用鋁合金復合高頻焊管焊縫泄露原因分析及控制

曹國富，姜榮生，曹麗珠

（上海薩新熱傳輸材料有限公司 ，江蘇 東臺224000）

為了進一步降低冷凝器用鋁合金復合管的泄漏率，采用金相試驗對冷凝器用鋁合金復合高頻焊管焊縫氣孔泄漏、顯微裂紋泄漏和氧化物夾雜泄漏3種形式進行了分析，并從生產(chǎn)角度對焊縫泄露的原因進行了論證。研究結(jié)果表明，鋁管坯縱切面不規(guī)整、導向環(huán)啃食成型開口圓管筒內(nèi)側(cè)邊緣及焊接工藝參數(shù)控制不當?shù)仁抢淠骷鞴芎缚p泄漏的主要原因。針對以上泄露原因，提出了鋁帶縱剪分條優(yōu)化工藝、導向環(huán)優(yōu)化設計和焊接工藝參數(shù)優(yōu)化等解決方案。實踐證明，解決方案顯著降低了冷凝器集流管焊縫泄漏率。

冷凝器集流管；焊縫泄漏；鋁合金復合高頻焊管；金相分析

冷凝器是一種可以將氣態(tài)物質(zhì)凝結(jié)成液態(tài)的設備，廣泛應用于汽車空調(diào)、家用空調(diào)等領域，它由集流管和翅片兩部分構(gòu)成。將冷凝器用鋁合金復合高頻焊管（以下簡稱冷凝器集流管）的泄露率控制為零，一直是鋁帶供應商、鋁焊管生產(chǎn)者和冷凝器制造者各方努力的目標，但是仍有關于冷凝器集流管泄漏的報道出現(xiàn)。本研究試圖從冷凝器集流管生產(chǎn)者的角度來分析導致冷凝器集流管泄漏的原因，并提出解決方案，以期進一步降低冷凝器集流管的泄漏率。

1 冷凝器集流管焊縫泄漏形態(tài)

1.1 冷凝器集流管簡介

常用冷凝器集流管的規(guī)格為Φ20 mm×（1.2～1.5）mm，是 H14狀態(tài)的 AA4343/AA3003鋁合金復合板帶經(jīng)高頻焊接而成，覆層是AA4343，復合率 10%±1.5%，基板為 AA3003；并且要求AA4343覆層在管外，以便后道工序的釬焊。Φ20 mm×1.2 mm冷凝器集流管結(jié)構(gòu)如圖1所示，H14狀態(tài)的AA4343/AA3003鋁合金復合板帶的化學成分和力學性能分別見表1和表2。

圖1 Φ20 mm×1.2 mm鋁合金復合管示意圖

表1 AA4343/AA3003鋁合金的化學成分 %

表2 H14狀態(tài)的AA4343/AA3003鋁合金板帶的力學性能

1.2 冷凝器集流管焊縫泄漏形態(tài)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，冷凝器集流管的泄漏點99.8%集中在焊縫區(qū)域，焊縫泄漏主要有氣孔泄漏、顯微裂紋泄漏和夾雜泄漏3種表現(xiàn)形態(tài)。

1.2.1 氣孔泄漏

氣孔泄漏指當試驗壓力尚未達到規(guī)定值時焊縫區(qū)域出現(xiàn)的泄漏，其低倍形貌如圖2（a）所示。在圖2（b）所示的400倍顯微組織中可見晶粒邊界局部變寬，在3個晶粒的交界處有復熔共晶三角形且部分晶間斷裂，晶粒內(nèi)有復熔共晶球；在圖2（c）所示3003基體中，強化相呈現(xiàn)明顯富集長大現(xiàn)象。這些復熔共晶三角形、復熔共晶球和強化相富集長大均會導致焊縫組織疏松，在高壓作用下易發(fā)生泄漏。

圖2 集流管氣孔泄漏處的金相形貌

1.2.2 顯微裂紋泄漏

觀察冷凝器集流管焊縫的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，其裂紋分為貫穿性微裂紋和局部微裂紋兩大類，如圖3所示。這兩類顯微裂紋都具有較強隱蔽性，通常在服役前均能通過水壓試驗進行判別。前者在服役不久后焊縫部位將發(fā)生泄漏，后者是長期服役后局部微裂紋在應力作用下起裂擴展所致。

圖3 焊縫橫截面顯微裂紋形貌 400×

1.2.3 夾雜泄漏

夾雜泄漏是指在冷凝器集流管的焊縫中，存在與鋁合金組織不相干的金屬氧化物或非金屬氧化物，如Al2O3、SiO2等，如圖4所示。以Al2O3為例，由于氧化鋁密度（3.85 g/cm3）比4343或3003鋁合金密度（2.6～2.8 g/cm3）大許多，在焊接過程中，若擠壓力偏小則Al2O3擠排不徹底，會殘留在焊縫中形成夾雜。這些夾雜物既破壞了焊縫組織的連貫性，同時又成為起裂源與泄漏隱患。

圖4 3003基體焊縫中的夾雜物

由此可見，無論冷凝器集流管焊縫泄漏的形態(tài)如何，其成因大多與焊管生產(chǎn)工藝中的焊接工藝參數(shù)、軋輥孔型、操作調(diào)整及鋁帶剪切缺陷等密不可分。

2 冷凝器集流管焊縫泄漏原因

2.1 縱剪鋁管坯切面不規(guī)整

根據(jù)對鋁管坯邊緣縱切面低倍金相形貌分析可知，管坯邊緣對接呈現(xiàn)3種基本匹配形態(tài)，且會形成不同焊縫品質(zhì)。

（1）管坯兩邊緣切面規(guī)整。如圖5所示，由這種管坯成型的待焊圓管筒，容易實現(xiàn)管坯兩邊緣的平行對接與焊接，焊接熱影響區(qū)對稱，熔合線粗細均勻、筆直清晰。這種焊縫強度最高，缺陷最少，通常不會發(fā)生泄漏。

圖5 剪切面平整的兩邊緣對接狀態(tài)與焊縫形貌

（2）管坯邊緣一面規(guī)整一面不規(guī)整。邊緣不規(guī)整的切面呈現(xiàn)“撕裂”狀，如圖6所示，由這種一面規(guī)整一面不規(guī)整的對焊面形成的焊縫，內(nèi)側(cè)易形成顯微裂紋。這是因為在焊接壓力、焊接熱量和焊接速度等焊接要素相同的條件下，與邊緣規(guī)整的兩對焊面比較，“撕裂”處受到的擠壓力相對較小，容易形成局部顯微裂紋。

卷制成形過程中，當“撕裂”口卷制在管外壁（反向卷制）時，焊縫外側(cè)易出現(xiàn)顯微裂紋；當“撕裂”口卷制在管內(nèi)壁（正向卷制）時，則焊縫內(nèi)側(cè)易生成顯微裂紋。

圖6 剪切面一邊規(guī)整一邊不規(guī)整的兩對焊面與焊縫內(nèi)側(cè)顯微裂紋形貌

集流管焊縫存在顯微裂紋時，在隨后的釬焊過程和服役過程中，將不斷受到溫度交變應力和高頻震動作用，其焊縫中的顯微裂紋會逐步擴展成為小孔洞，然后小孔洞聚集連接發(fā)展成為宏觀裂口，最終導致泄漏。

（3）管坯兩邊緣均呈“撕裂”狀，如圖7所示，與這種管坯相對應的焊縫熔合線模糊不清。 “撕裂”狀管坯兩側(cè)邊緣各對應點（見圖8）在高頻電流集膚效應和鄰近效應共同作用下所形成的電流密度差異較大，由此根據(jù)式（1）焦耳—楞次定律可以得到管坯邊緣各點的焊接溫度。

且 QA≠Q(mào)a≠Q(mào)B≠Q(mào)b≠…。

其中， QA、Qa、 QB、 Qb和 IA、 Ia、IB、Ib分別表示管坯兩側(cè)邊緣各點的焊接熱量和感應電流強度；t表示時間。這樣由式（1）可以知道焊縫內(nèi)各點焊接溫度混亂，高低不等。當選擇固相焊接制度時，焊縫局部存在冷焊與微裂紋風險；當選擇熔融焊接制度時，焊縫局部存在過燒與氧化物夾雜的幾率；當選擇固熔焊接制度時，則冷焊、顯微裂紋風險和過燒、氧化物夾雜的幾率共存，這些均是焊縫潛在起裂源與泄漏誘因。

圖7 剪切面兩邊都不規(guī)整的對焊面與焊縫形貌

圖8 切面不規(guī)整的對焊面在高頻電流鄰近效應作用下各點對應的溫度示意

2.2 未針對鋁管坯特點設計成型軋輥用導向環(huán)

高頻鋁焊管成型，無論是設計理念還是設計方法，尚沒有專門針對鋁焊管成型的軋輥孔型。以導向環(huán)倒角為例，仍舊沿用鋼管成型用導向環(huán)的倒角角度

式中：b—導向環(huán)厚度；

B—鋁管坯寬度；

ΔB1—成型余量。

但與鋼質(zhì)管坯相比，鋁管坯較軟，如基板AA3003、狀態(tài)H14的鋁管坯，其屈服強度僅是SPCC（一般用冷軋?zhí)间摫“寮颁搸В╀摴芘鞯?4.1%，硬度僅是33.3%，所以對鋁管坯而言，倘若成型不充分，或發(fā)生回彈，則鋼質(zhì)導向環(huán)便會擠潰鋁質(zhì)成型管筒內(nèi)邊緣。圖9所示為被導向環(huán)擠潰的成型鋁管坯的低倍形貌。由這種“缺內(nèi)角”管筒形成的焊縫，其內(nèi)側(cè)會因材料缺失導致該部位不受或受到很小擠壓力作用，極易產(chǎn)生微裂紋，甚至宏觀裂紋，亦為圖6（b）所示缺陷的重要成因。

圖9 內(nèi)角被導向環(huán)啃食掉的成型圓管筒

2.3 焊接工藝參數(shù)控制不當

2.3.1 焊接溫度

鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時沒有明顯顏色變化，不利于操作者判斷焊接溫度及對輸入熱量的把控，同時又更多擔心發(fā)生冷焊，故常常因焊接溫度過高而不被察覺，導致過燒，甚至燒穿。在圖2（b）和圖2（c）中，不論是共晶復熔球的出現(xiàn)，還是晶間斷裂，或者是強化相富集長大，這些均是鋁合金過燒的基本特征。說明這種泄漏是焊接過程中局部溫升過高引起鋁管坯邊緣熔化，并在隨后冷卻結(jié)晶過程中形成疏松的、具有鑄造組織的結(jié)果，該疏松的焊縫在高壓液體作用下局部易發(fā)生滲（泄）漏。

2.3.2 焊接擠壓力

對于焊接擠壓力要辯證地理解，一方面，焊接擠壓力過大，易將達到焊接溫度的鋁合金全部擠出，反而形成冷焊；另一方面，若焊接擠壓力過小，則不僅形成共同晶體的數(shù)量少，焊縫強度低，而且也不利于擠出管坯邊緣的氧化物。

此外基于Al和O具有很強的親和力，當鋁管坯被縱剪后，其縱切面在常溫下就會被氧化，生成厚度0.1～0.2 μm的Al2O3薄膜，高溫焊接時氧化作用更加劇烈。氧化鋁熔點高達2 050℃，大約是AA3003基板的3倍，若擠壓力偏小，氧化鋁不能被擠出焊縫，繼而形成夾雜、未融合等焊接缺陷。

2.3.3 焊接開口角

焊接開口角影響焊縫泄漏的機理是，在高頻電流鄰近效應作用下，管坯邊緣被加熱到620～650℃（3000系列）時，邊緣部分金屬處于熔融狀態(tài)，物理形狀部分失去規(guī)整，受熱范圍急劇增寬，在開口角較小的情況下，管坯前端兩側(cè)的熔融金屬容易 “流淌”在一起，形成液體過梁以及焊合點前移，如圖10所示。高頻電流在過梁處密度驟然增大，致使液體過梁處的熔融鋁合金局部發(fā)生氣化，這種狀態(tài)下僅需小小擠壓力就能實現(xiàn)管坯兩邊緣的焊接，同時產(chǎn)生強烈的火花噴濺。此刻，若出現(xiàn)某種偶然因素，如管坯打滑則導致焊速突然降低，那么過梁處熔融鋁合金溫度便會急劇升高和大面積氣化，繼而使得形成焊縫的鋁合金過燒，甚至出現(xiàn)氣孔。反過來，如果適當增大開口角，就能減短液體過梁長度，即使速度出現(xiàn)波動，焊縫過燒的風險也不會那么高。

圖10 液體過梁長度、焊接制度與開口角的關系

因此，控制焊接開口角的實質(zhì)是控制實際焊合點的位置和液體過梁的長度，進而控制焊接溫度。適合高頻焊接鋁合金管的開口角在5°～8°為宜，這對于將實際焊合點控制在擠壓輥中心連線附近、預防過燒、穩(wěn)定焊接較為有利。

2.3.4 焊接速度

高頻焊接的一個重要特點是高速動態(tài)焊接，目前為止，高頻焊接鋁管有案可稽的焊接速度是200 m/min。焊管在高速移動狀態(tài)下實現(xiàn)焊接，對焊管機組穩(wěn)定性、焊接電源穩(wěn)定性、材料尺寸精度與性能穩(wěn)定性、阻抗器位置穩(wěn)定性、冷卻液穩(wěn)定性、擠壓力穩(wěn)定性、軋輥精度等要求較高，任何一個因素的微小變化均會對焊縫質(zhì)量造成不利影響。因為在某一焊接速度下，焊接電流和擠壓力等在該時段內(nèi)是定值，并且認為此時的焊接熱量和擠壓力與焊接速度恰好匹配，既沒有過燒，也沒有冷焊，焊縫質(zhì)量優(yōu)良，不會發(fā)生泄漏。若焊接速度發(fā)生波動，則焊縫不是過燒便是冷焊。因此，衡量焊接速度的首要標準不是快與慢，而是穩(wěn)定。另外，在現(xiàn)有高頻焊接工況下，焊接速度越高，熔融金屬與空氣接觸時間越短，表層氧化越淺，形成各種氧化物夾雜的幾率越低，焊縫質(zhì)量越好，這對鋁合金焊縫來說尤為重要。因為裸露在空氣中的高溫待焊鋁合金邊緣特別容易氧化生成Al2O3、SiO2等氧化物，若這些氧化物沒有被完全擠出焊縫，就會形成泄漏的誘因—夾雜。

2.3.5 焊管操作調(diào)整

僅以縱向軋制力調(diào)整為例，當縱向軋制力施加不當時，變形鋁管坯的運行不是左右晃動、上下波動，就是前后頓挫、忽快忽慢，這將導致焊接過程不穩(wěn)定，產(chǎn)生包括焊縫泄漏在內(nèi)的諸多缺陷。

3 預防冷凝器集流管焊縫泄漏的解決方案

3.1 優(yōu)化鋁帶縱剪分條工藝

以提高分條鋁帶縱切面 “切痕深度”和降低被 “撕裂深度”（如圖11所示）為工藝要求，達成管坯橫截面規(guī)整的工藝目標。

圖11 切痕深度、撕裂深度與切面規(guī)整的關系

3.1.1 “切痕深度”工藝要求

從圖11所反映的鋁帶縱切面低倍金相形貌看，管坯縱切面由“切痕深度”和“撕裂深度”兩部分構(gòu)成，且切痕深淺與管坯橫截面邊緣規(guī)整存在較強的正相關關系，“切痕深度”愈深，管坯橫截面邊緣越規(guī)整，焊縫融合線愈清晰，顯微裂紋和夾雜愈少，焊縫泄漏的可能性較低。因此，必須重視鋁管坯“切痕深度”指標，確?！扒泻凵疃取辈簧儆阡X管坯厚度的2/3，并且通過修訂企業(yè)內(nèi)部《鋁合金帶驗收技術標準》予以固化。

3.1.2 減小縱剪分條刀側(cè)間隙

按式（3）確定分條刀側(cè)間隙，能最大限度減小“撕裂深度”。

式中：t—鋁帶厚度。

3.1.3 增加分條刀修磨次數(shù)

增加分條刀修磨次數(shù)目的是提高圓盤剪刀片的鋒利程度，增大切入深度，減小撕裂層，從而獲得邊緣規(guī)整的鋁管坯。另外，圓盤剪刀片的鋒利程度還直接影響鋁管坯邊緣的減薄率。根據(jù)對管坯橫截面邊緣的低倍形貌測量發(fā)現(xiàn)，當“切痕深度”低于1/2鋁管坯厚度時，圓盤剪刀便不鋒利，管坯橫截面邊緣厚度明顯變??；當“切痕深度”少于2/5鋁管坯厚度時，管坯橫截面邊緣厚度的減薄率高達10%以上。如果這種減薄僅在管坯一側(cè)發(fā)生，就會導致待焊管坯兩邊緣焊接溫度不相等。管坯邊緣焊接溫度表達式為

式中：I—焊接電流，A；

R—管坯電阻，Ω；

A—金屬物理系數(shù)；

F—焊接斷面面積，mm2；

L—焊接區(qū)長度，mm；

v—焊接速度，mm/s。

顯然，在焊接斷面面積F不等的情況下，薄的一邊溫度更高，而這使高頻焊接工藝無所適從，焊縫品質(zhì)難以保障。

3.2 優(yōu)化鋁管成型軋輥用導向環(huán)的設計

使用導向環(huán)的目的是強化成型管坯歸圓，換句話說，導向環(huán)與管坯邊緣的接觸雖不可避免，但可通過增大導向環(huán)倒角β′的方法確保成型管坯縱切面不被破壞。圖12（b）顯示，未改進前的導向環(huán)，因管坯回彈（R′＞R）致使管坯內(nèi)邊緣與導向環(huán)接觸，質(zhì)地較軟的鋁管坯內(nèi)邊緣很容易被鋼質(zhì)導向環(huán)“啃食”掉，產(chǎn)生圖9所示的缺角缺陷；而導向環(huán)倒角增大后，盡管存在管坯回彈（圖12（c）），但是與導向環(huán)接觸的管坯部位變成外邊緣，而外邊緣受軋輥孔型面制約，不會輕易被擠潰，于是規(guī)整的鋁管坯邊緣不會遭到破壞，容易實現(xiàn)高頻焊接工藝所要求的管坯兩邊緣平行對接。

圖12 改進前后導向環(huán)倒角β和β′與管壞的接觸狀態(tài)

適合鋁管成型的導向環(huán)倒角角度β′需按式（5）設計，即

同時，還必須探索出一套適合鋁合金管坯成型的軋輥孔型設計方法，從根本上提高冷凝器集流管的焊縫品質(zhì)。

3.3 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

高頻焊接工藝參數(shù)眾多，其中焊接溫度、焊接壓力、焊接速度和開口角并稱為高頻鋁管焊接工藝四要素，它們對焊縫品質(zhì)的形成既具有互補作用，同時又相互制約，因此單純講某要素大小和優(yōu)劣對焊縫泄漏的影響并沒有實際意義，焊接工藝四要素之間的相互匹配才是關鍵。如當開口角較大時，要求輸入熱量（焊接溫度）偏高、擠壓力偏大、焊速偏低。建議高頻焊接冷凝器集流管工藝的四要素按表3進行匹配。

此外，利用線能量指標更能夠綜合反映焊接

表3 開口角、焊接溫度、焊接壓力、焊接速度相互匹配與焊縫泄漏的關聯(lián)度

式中：q—焊接線能量，J/mm；

I—焊接電流，A；

U—焊接電壓，V；

v—焊接速度，mm/s。

倘若能夠精確測定不同規(guī)格品種冷凝器集流管的線能量指標值，那么對穩(wěn)定冷凝器集流管焊縫品質(zhì)具有精準指導意義。一年多以來，根據(jù)表4溫度、焊接壓力、焊接速度、焊管品種等方面對焊縫品質(zhì)的影響。焊接線能量表達式為的焊接線能量進行Φ20 mm×（1.2/1.3/1.5 mm）規(guī)格H14A、A4343/AA3003冷凝器集流管的生產(chǎn)，焊縫在線渦流探傷通過率從99.48%提高到99.93%，離線探傷不通過率從3.25‰下降到1.17‰，客戶投訴率也大幅降低了63.5%。

表4 Φ20 mm規(guī)格H14、AA4343/AA3003冷凝器集流管的焊接線能量

3.4 優(yōu)化焊管調(diào)整規(guī)范

以縱向軋制力調(diào)整為例，根據(jù)鋁焊管生產(chǎn)工藝要求，至少要保證管坯在第一道成型平輥與末道成型平輥之間以及定徑與成型之間存在一定縱向張力，確保精成型拉著粗成型跑、定徑拉著成型跑，使驅(qū)動力與阻力的合力FZ滿足

式中：FZ—焊管機組的總張力，N；

∑FK—全部開口孔型平輥對管坯的驅(qū)動力，N；

∑FB—全部閉口孔型平輥的對管坯驅(qū)動力，N；

∑fK—全部開口孔型平輥對管坯的阻力，N；

∑fB—全部閉口孔型平輥對管坯的阻力，N；

∑fL—全部成型立輥孔型對管坯的阻力，N；

∑FD—全部定徑平輥孔型平輥對管坯的驅(qū)動力，N；

∑fD—全部定徑立輥孔型對管坯的驅(qū)動力，N。

這樣，管坯運行才能穩(wěn)定，而管坯運行穩(wěn)定是焊接穩(wěn)定的前提，更是預防焊縫泄漏的前提。

4 結(jié) 論

（1）A4343/AA3003冷凝器集流管焊縫泄漏的主要形式是氣孔泄漏、顯微裂紋泄漏和氧化物夾雜泄漏。

（2）導致A4343/AA3003冷凝器集流管焊縫泄漏的主要原因是鋁管坯縱切面不規(guī)整、導向環(huán)啃食成型開口圓管筒內(nèi)側(cè)邊緣以及焊接工藝參數(shù)控制不當?shù)取?/p>

（3）通過優(yōu)化鋁帶縱剪分條工藝、優(yōu)化導向環(huán)設計、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和優(yōu)化焊管調(diào)整規(guī)范后，冷凝器集流管焊縫泄漏顯著減少。

（4）由于冷凝器集流管焊縫泄漏原因的復雜性，以及基于焊管作業(yè)中一些工藝參數(shù)現(xiàn)階段還只能作定性描述的特點，預防冷凝器集流管焊縫泄漏成為一個長久的課題。

致謝：感謝上海薩新熱傳輸材料試驗中心和上海薩新（東臺）熱傳輸材料實驗室同仁提供的幫助。

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Analysis and Control of Weld Leak Reason of Aluminum Alloy Composite HFW Pipe Used in Condensers

CAO Guofu， JIANG Rongsheng， CAO Lizhu
（Shanghai Saxin Heat Transfer Material Co.， Ltd.， Dongtai 224000， Jiangsu， China）

In order to reduce the leak-rate of aluminum alloy composite HFW pipe used in condenser，the pore leaking，microfissure leaking and oxide inclusion leaking were analyzed by metallographic test，and weld leaking reason was demonstrated from welded pipe production.According to the research results，the main reasons of weld leaking in collecting pipe of condenser were irregular longitudinal section of aluminium tube blank，inner wall notch caused by guide ring，and improper welding parameter control.For leaking reason，the optimizing solutions of aluminium tape slitting process，guide ring design,welding parameter were proposed.Production practice showed that the solutions reduced the leak-rate of collecting pipe weld observably.

collecting pipe of condenser； weld leaking； aluminum alloy composite HFW pipe； metallographic analysis

TG146.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.008

曹國富（1957—），男，長期從事焊管生產(chǎn)工藝、孔型設計及生產(chǎn)管理工作，發(fā)表論文40余篇。

2017－05－22

黃蔚莉