徐永亮 趙亞濤 趙 越

(1.中國海洋大學(xué) 材料科學(xué)與工程研究院，山東 青島 266100； 2.易孚迪感應(yīng)設(shè)備(上海)有限公司，上海 201108)

?

鋼-銅管感應(yīng)釬焊工藝技術(shù)研究

徐永亮1趙亞濤2趙 越1

(1.中國海洋大學(xué) 材料科學(xué)與工程研究院，山東 青島 266100； 2.易孚迪感應(yīng)設(shè)備(上海)有限公司，上海 201108)

研究旨在解決鋼-銅管感應(yīng)釬焊的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過感應(yīng)釬焊現(xiàn)場調(diào)查確定其主要問題有：感應(yīng)器與工件相對左、右偏斜，相對前傾、后仰，感應(yīng)器與工件貼邊。以釬料填縫深度作為衡量焊接質(zhì)量的指標(biāo)，正交試驗結(jié)果表明，在所選參數(shù)范圍內(nèi)，填縫深度隨裝配間隙的增大而減小，填縫深度隨感應(yīng)器與工件相對偏角的增大而減小，填縫深度隨功率的增加呈先增加后持平的趨勢；單因素試驗結(jié)果表明，感應(yīng)器與工件貼邊對釬焊質(zhì)量有不良影響，工件放置角度對釬焊質(zhì)量幾乎無影響，最佳工藝參數(shù)為：環(huán)下6 mm焊接位置+0.06～0.16 mm雙邊間隙+86%功率，3～4 s焊接時間 + 左右、前后0～4°偏角相對位置。

鋼-銅管 感應(yīng)釬焊 裝配間隙 相對位置 功率 填縫深度

0 序 言

感應(yīng)釬焊利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的電阻熱來加熱工件，從而實現(xiàn)釬焊過程，由于感應(yīng)釬焊由機器設(shè)定的程序控制，因此在釬焊過程中對操作人員的技術(shù)要求很低，大大減小了人為因素對焊接質(zhì)量的影響，其焊接質(zhì)量一致性、可靠性高。感應(yīng)釬焊的使用成本低、工作環(huán)境安全環(huán)保[1-4]，當(dāng)使用柔性的高頻電纜連接感應(yīng)器和電源時，可用在制冷設(shè)備在線生產(chǎn)中，是解決制冷行業(yè)鋼-銅管路連接難題的一種可行的方案，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)的具體研究，利用感應(yīng)釬焊完成制冷管路鋼-銅管的連接，能夠改善制冷設(shè)備的生產(chǎn)環(huán)境、提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有著很好的應(yīng)用前景[5-7]。

研究旨在解決制冷行業(yè)推廣感應(yīng)釬焊代替手工火焰釬焊面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，在冰箱、冷柜企業(yè)推廣感應(yīng)釬焊技術(shù)中都出現(xiàn)了質(zhì)量不升反降的局面，尤其在冷柜壓縮機箱內(nèi)鋼-銅管感應(yīng)釬焊工藝中存在材料型號與規(guī)格的選擇與優(yōu)化[8-10]、接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計與控制、感應(yīng)器與焊接參數(shù)的設(shè)計與優(yōu)化等因素，且職工無培訓(xùn)教材，導(dǎo)致焊接合格率遠(yuǎn)低于手工焊，這已成為阻礙該項技術(shù)推廣的嚴(yán)重問題。

研究通過感應(yīng)釬焊現(xiàn)場調(diào)查，實驗室中的科學(xué)研究，圍繞冷柜壓縮機箱內(nèi)鋼-銅管感應(yīng)釬焊工藝中存在的問題，提出解決辦法，最終給出鋼-銅管感應(yīng)釬焊工藝參數(shù)，實現(xiàn)制冷行業(yè)感應(yīng)釬焊技術(shù)的快速推廣覆蓋。

1 感應(yīng)釬焊現(xiàn)場問題匯總

W公司冷柜壓縮機箱內(nèi)感應(yīng)釬焊的焊接漏率較高，公司內(nèi)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，其低銀焊點漏率為1.3%，高銀焊點漏率為3%，通過現(xiàn)場觀察，分析造成焊接漏率較高的可能因素。

感應(yīng)釬焊現(xiàn)場存在的問題主要有：焊接過程中，在管路軸向位置上移動感應(yīng)器；感應(yīng)器相對管路前傾、后仰(感應(yīng)器在管路軸向上向前、向后傾斜一定角度)；感應(yīng)器相對管路左偏、右偏(感應(yīng)器相對管路徑向向左、向右偏斜一定角度)；感應(yīng)器相對管路徑向偏移(管路貼近感應(yīng)器一側(cè))。感應(yīng)器與工件間左右、前后相對位置圖如圖1～2所示。

圖1 感應(yīng)器與工件左右相對位置圖

由于感應(yīng)釬焊采用電磁感應(yīng)原理加熱，為保證工件受熱均勻，則焊接時感應(yīng)器相對管路不能移動，保持最佳焊接位置即可。通過對現(xiàn)場的故障件進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)焊漏的故障件絕大部分都是填縫深度不均勻，最終導(dǎo)致焊漏，而這與工件和感應(yīng)器之間的相對位置有關(guān)。因為工件和感應(yīng)器之間有一定角度的相對偏斜、傾斜時，工件處于磁場中的部分是不對稱的，導(dǎo)致工件受熱不均勻，最終容易導(dǎo)致焊漏。

圖2 感應(yīng)器與工件前后相對位置圖

2 鋼-銅管感應(yīng)釬焊正交試驗

正交試驗是研究多因素、多水平的一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法。為探究影響鋼-銅管感應(yīng)釬焊質(zhì)量的主要因素，進(jìn)行L16(43)的正交試驗。對裝配間隙、工件與感應(yīng)器的左右相對位置、功率這3個影響因子對填縫深度的影響大小進(jìn)行研究。

2.1 試驗儀器及選材

試驗儀器選用EFD高頻感應(yīng)焊機Minac 6/10；試驗管材為φ6 mm×0.6 mm銅管(一端擴(kuò)口)和φ4.75 mm×0.7 mm鋼管；焊環(huán)材料選為BAg30CuZnSn焊環(huán)規(guī)格為φ4.75 mm×0.8 mm×4 mm。

焊環(huán)的篩選是從三種不同的焊環(huán)中經(jīng)釬料鋪展性試驗、釬料潤濕性試驗，以及吸潮性試驗選擇得出。其結(jié)論為該試驗所使用的焊環(huán)(焊環(huán)材料BAg30CuZnSn)的綜合性能最好，且焊接接頭實際填縫深度大，成本相對較低，即試驗所用焊環(huán)最適合鋼管感應(yīng)釬焊使用，性能最佳。

2.2 試驗方法

焊接時保持功率不變，直到焊接結(jié)束。焊接時間以接頭顏色變化為準(zhǔn)，當(dāng)鋼管被加熱至亮紅色，此時焊環(huán)全部熔化填縫，停止焊接加熱。焊接位置為環(huán)下6 mm，由前期對鋼-銅管接頭的最佳焊接位置研究試驗得出，其結(jié)論為當(dāng)焊接位置為焊環(huán)以下3～6 mm時可以達(dá)到良好的焊接效果，最佳焊接位置為環(huán)下6 mm。

X射線檢測技術(shù)得到的工業(yè)射線膠片影像信息直觀，檔案保存性好[11]，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。試驗用X射線對每個焊接接頭進(jìn)行檢測，得到X射線檢測膠片，再在沖洗完的膠片上測量填縫深度。可準(zhǔn)確得出釬料填縫深度，更為科學(xué)地評定焊接質(zhì)量。

2.3 正交試驗

每個影響因子選取4個水平，雙邊裝配間隙分別為0.06 mm，0.14 mm，0.24 mm，0.38 mm；左右相對位置分別為左5°，左9°，右5°，右9°；功率分別為77%，80%，83%，86%。選擇合適的正交表，設(shè)計出正交試驗方案，每組焊接6個接頭進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果及分析見表1。

表1 Minitab軟件直觀分析表

由表1可知，裝配間隙極差>相對位置極差>功率極差，即在所選水平范圍內(nèi)，裝配間隙對填縫深度的影響最大，相對位置次之，功率的影響最小。因此，裝配間隙是影響釬焊質(zhì)量的最主要原因；感應(yīng)器與管路的相對位置對釬焊質(zhì)量的影響較大，僅次于裝配間隙；功率對釬焊質(zhì)量影響程度最小。各影響因子對填縫深度平均值的效應(yīng)趨勢如圖3所示。

分析上圖得出裝配間隙、相對位置、功率這三個影響因子對釬焊質(zhì)量的影響趨勢：①在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨著裝配間隙的增大，填縫深度減??；②在所選參數(shù)范圍內(nèi)，相對位置即偏斜角度越大，填縫深度越??；③在所選參數(shù)范圍內(nèi)，功率增大，填縫深度呈先增加，然后持平的趨勢。

由三個影響因子對釬焊質(zhì)量的影響趨勢可知，想要得到優(yōu)異的釬焊質(zhì)量，就要相對小的裝配間隙、盡可能減小偏斜角度、功率選擇在86%即可。因此在單因素試驗中，為找出最佳工藝功率選86%(在83%以后就已經(jīng)持平，且功率對釬焊質(zhì)量的影響最小)進(jìn)行單因素變量試驗，細(xì)化裝配間隙、相對位置以及其他可能的影響因子，找出最佳工藝參數(shù)。

在觀片燈下觀察的X射線檢測膠片如圖4～5所示。對比可知，正交試驗第3組比第16組的焊接質(zhì)量好，可以很清楚地反映接頭內(nèi)部的釬料填充情況。

圖4 正交試驗第3組

圖5 正交試驗第16組

3 鋼-銅管感應(yīng)釬焊單因素變量試驗

在正交試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行該試驗，每組焊接5個接頭進(jìn)行試驗，試驗儀器及選材、試驗方法同正交試驗中的3.1和3.2，不再贅述。

3.1 裝配間隙對焊接質(zhì)量的影響試驗

為探究鋼-銅管感應(yīng)釬焊的最佳裝配間隙，設(shè)置該試驗，裝配間隙的研究范圍是0.06～0.20 mm，以0.02 mm為梯度遞增，不同裝配間隙下的填縫深度均值見表2。

表2 不同裝配間隙下的填縫深度均值

由圖6可知，總體趨勢上，填縫深度均值隨裝配間隙的增大而減?。挥杀?可知，裝配間隙在0.06 mm時，填縫深度均值最大，達(dá)到了9.49 mm；裝配間隙在0.06～0.16 mm范圍內(nèi)時，填縫深度均值均在6 mm以上，釬焊質(zhì)量優(yōu)異。

圖6 裝配間隙-填縫深度均值

考慮到在線感應(yīng)釬焊生產(chǎn)實際，裝配間隙的允許范圍不可太小，需要一定的公差范圍，因此綜合考慮，最佳間隙范圍為0.06～0.16 mm。因填縫深度隨裝配間隙的增大而減小，所以選擇雙邊間隙0.16 mm這個最大間隙來進(jìn)行后續(xù)試驗。

3.2 感應(yīng)器與管路貼邊對焊接質(zhì)量的影響試驗

為探究感應(yīng)器與管路貼邊對焊接質(zhì)量的影響，設(shè)置試驗，感應(yīng)器的左、右兩側(cè)內(nèi)壁分別為感應(yīng)器的“左邊”、“右邊”。感應(yīng)器僅是靠近管路，但管路不接觸感應(yīng)器側(cè)壁上的導(dǎo)磁體，在豎直方向上，左、右偏移，如圖7所示。左、右貼邊時，不同位置下的填縫深度均值見表3。

圖7 感應(yīng)器與管路貼邊

焊接位置填縫深度均值/mm左貼邊4.31右貼邊5.92

由表3中的填縫深度均值可以看出，釬焊時左、右貼邊，填縫深度均值小于6 mm。相比較而言，右貼邊時，釬料填縫深度比左貼邊時略大，但都比工件處于感應(yīng)器中間時的填縫深度小，所以左、右貼邊對焊接質(zhì)量有不良影響(毛細(xì)管除外，因為毛細(xì)管直徑在2 mm，貼邊時加熱速度更快)，即實際生產(chǎn)中，應(yīng)在焊前使工件處于感應(yīng)器的中間位置，避免貼近感應(yīng)器的某一邊過近，以防工件兩側(cè)加熱不均勻，從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量不佳。

3.3 工件放置角度對焊接質(zhì)量的影響試驗

為探究工件放置角度對焊接質(zhì)量的影響設(shè)置試驗。根據(jù)W冷柜企業(yè)感應(yīng)釬焊現(xiàn)場工況，工件放置角度(圖8)大致有：10°，45°，90°，不同角度下的填縫深度均值見表4。由于探究最佳間隙時使用的是90°的工件角度，所以該試驗中工件角度90°時，最佳間隙下的填縫深度均值參見表2。

圖8 工件放置角度示意圖

工件角度(°)填縫深度均值/mm106.25456.96907.65

由圖9可知，工件放置角度越大，即工件放置越趨于豎直，填縫深度越大，但它們之間的填縫深度均值之差很小，且填縫深度均值都大于6 mm，因此工件放置角度對填縫深度的影響很小，基本可以忽略。另外，從設(shè)計角度考慮，便于焊接操作，建議工件放置角度為90°。

圖9 工件放置角度-填縫深度均值

3.4 感應(yīng)器與工件相對位置對焊接質(zhì)量的影響試驗

為探究感應(yīng)器與工件相對位置對焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行試驗,研究左右相對位置時，前后相對位置為0°；相應(yīng)地研究前后相對位置時，左右相對位置為0°,相對位置為0°時的結(jié)果參見表2。

(1)感應(yīng)器相對工件左偏時，不同相對位置(偏斜角度)下的填縫深度均值見表5、如圖10所示。感應(yīng)器相對工件右偏時，不同相對位置(偏斜角度)下的填縫深度均值見表6、如圖11所示。

由表5～6和圖10～11可知，填縫深度均值隨感應(yīng)器相對工件向左或向右偏角的增大都呈減小趨勢。當(dāng)感應(yīng)器相對工件向左或向右偏4°范圍內(nèi)，填縫深度均值大于6 mm。觀察圖10～11可知，當(dāng)左、右偏角在5°左右時，填縫深度為6 mm，即該感應(yīng)器允許相對向左、向右偏角范圍是0～5°，考慮到生產(chǎn)實際，允許的向左或向右偏角設(shè)為0～4°。

表5 感應(yīng)器相對工件左偏時的填縫深度均值

圖10 相對左偏-填縫深度均值

相對位置-右偏(°)填縫深度均值/mm07.6547.1865.3284.10

圖11 相對右偏-填縫深度均值

(2)感應(yīng)器相對工件前傾時，不同相對位置(傾斜角度)下的填縫深度均值如表7、圖12所示。感應(yīng)器相對工件后仰時，不同相對位置(傾斜角度)下的填縫深度均值如表8、圖13所示。

表7 感應(yīng)器相對工件前傾時的填縫深度均值

圖12 相對前傾-填縫深度均值

相對位置-后仰(°)填縫深度均值/mm07.65116.68145.81174.38

圖13 相對后仰-填縫深度均值

由表7～8和圖12～13可知，填縫深度均值隨感應(yīng)器相對工件前傾或后仰角度的增大均呈減小趨勢，感應(yīng)器相對工件前傾5°或后仰11°范圍內(nèi)，填縫深度均值均大于6 mm，觀察圖12～13可知，當(dāng)前傾角度在5°～6°之間，或后仰角度在13°～14°之間時，填縫深度為6 mm，即該感應(yīng)器允許的相對前傾角度范圍是0°～5°，相對后仰角度范圍是0°～13°。考慮到生產(chǎn)實際，允許的前傾、后仰角度設(shè)置為0°～4°。

3.5 試驗結(jié)果分析

3.5.1 裝配間隙對焊接質(zhì)量的影響試驗結(jié)果分析

根據(jù)式(1)

(1)

式中，σLG為液態(tài)釬料的表面張力；θ為潤濕角；a為釬縫間隙；ρ為液態(tài)釬料的密度；g為重力加速度[12]。這與釬焊時釬料依靠毛細(xì)作用來進(jìn)行填縫的原理是一致的，即釬縫間隙(裝配間隙)越大，毛細(xì)現(xiàn)象越弱，填縫深度越小。

3.5.2 感應(yīng)器與管路貼邊對焊接質(zhì)量的影響試驗結(jié)果分析

感應(yīng)釬焊時感應(yīng)器與工件左、右貼邊必將導(dǎo)致工件一側(cè)距離感應(yīng)器的感應(yīng)線圈很近，而另一側(cè)較遠(yuǎn)。根據(jù)感應(yīng)加熱原理[13]，當(dāng)焊接參數(shù)不變時，感應(yīng)線圈周圍的磁場分布是固定的，距離感應(yīng)線圈越近，磁感應(yīng)強度越大；反之，磁感應(yīng)強度越小。所以，當(dāng)感應(yīng)器與工件左、右貼邊時，工件靠近線圈一側(cè)處的磁感應(yīng)強度大、加熱速度快，而工件距線圈較遠(yuǎn)的另一側(cè)處磁感應(yīng)強度小、工件受熱速度慢，導(dǎo)致焊接時工件受熱不均勻，最終導(dǎo)致釬料的填縫深度不均勻，易產(chǎn)生焊接不良。

對于毛細(xì)管而言，由于毛細(xì)管直徑在2 mm，貼邊時加熱速度很快且管徑很小，所以可以忽略它與感應(yīng)線圈距離，故毛細(xì)管在加熱時不受貼邊影響。

3.5.3 工件放置角度對焊接質(zhì)量的影響試驗結(jié)果分析

工件放置角度對填縫深度的影響很小，基本可以忽略，這與釬焊時釬料依靠毛細(xì)作用來進(jìn)行填縫的原理是一致的，即裝配間隙越大，毛細(xì)現(xiàn)象越弱，填縫深度越低。但從便于焊工施焊的角度而言，建議將管路的角度都設(shè)計成豎直的，即工件放置角度為90°。

3.5.4 感應(yīng)器與工件相對位置對焊接質(zhì)量的影響試驗結(jié)果分析

感應(yīng)器相對工件左偏、右偏、前傾、后仰時，從這些相對位置的試驗結(jié)果可總結(jié)出同一個規(guī)律，即感應(yīng)器與工件的相對位置(角度)越大，填縫深度越小。因為磁感應(yīng)強度與工件及感應(yīng)線圈的距離成反比，所以當(dāng)感應(yīng)器與工件間相對角度增大時，必將導(dǎo)致焊接時工件受熱不均勻，最終導(dǎo)致釬料填縫不均勻，容易產(chǎn)生焊接不良。

因感應(yīng)器左右對稱，所以感應(yīng)器相對管路左、右偏斜時，它的允許相對偏角是一致的，然而感應(yīng)器前后方向不對稱，因此感應(yīng)器相對工件前傾、后仰時，對應(yīng)的允許相對角度范圍不一致。

4 結(jié) 論

通過正交試驗中對裝配間隙，功率，左、右偏角這三個影響因子對填縫深度的影響進(jìn)行探究，單因素變量試驗中探究最佳裝配間隙，探究感應(yīng)器與工件貼邊、工件放置角度、感應(yīng)器與工件的相對位置對填縫深度的影響，總結(jié)得出以下結(jié)論。

(1)在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨著裝配間隙的增大，填縫深度減??；相對位置(左右、前后角度)越大，填縫深度越??；功率增大，填縫深度呈先增加、后持平的趨勢。

(2)工件與感應(yīng)器貼邊對焊接質(zhì)量會產(chǎn)生不良影響；工件放置角度對焊接質(zhì)量幾乎無影響，為便于施焊，建議工件放置角度為90°。

(3)鋼-銅管感應(yīng)釬焊最佳工藝參數(shù)為：環(huán)下6 mm焊接位置+0.06～0.16 mm雙邊裝配間隙+86%功率+3～4 s焊接時間+左右、前后0～4°偏角相對位置。

[1] 湯猛猛. 銅鋁導(dǎo)管接頭感應(yīng)加熱參數(shù)敏感性研究[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[2] 唱鶴鳴,楊曉平,張德惠，等. 感應(yīng)爐熔煉與特種鑄造技術(shù)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社，2002.

[3] 韓文軍，許吉林，辛 辰,等. 鋁-鋁感應(yīng)釬焊工藝及其接頭性能研究[J]. 焊接，2016(5):44-48，75.

[4] 許吉林，王 昕，趙 越，等. 鋁/鋁釬焊用自釬劑鋁釬料的研究[J]. 焊接，2015(5):37-40，70.

[5] 黃健康，陳滿驕，石 玗，等. 基于高頻感應(yīng)加熱實現(xiàn)銅管/鋁棒的包覆焊接[J]. 焊接，2016(3):6-10，73.

[6] 徐 源. 制冷用鋁管感應(yīng)釬焊工藝及接頭性能研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[7] 李望南. 鋁/鋼高頻感應(yīng)釬焊工藝研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[8] Wang J H，Homy E F， Lin S J. Interface study for stainless steel fiber-reinforced aluminum matrix composite [J]. Journal of Materials Science，1997，32(3): 719-725.

[9] Rollin M，Luster J W， Aradeniz G K. Strength and structure of furnace brazed joint between aluminum and stainless steel [J]. Welding Journal，1995，78(5): 151-155.

[10] Kawano T，Inoue Y， Matsui M. Properties of aluminum alloy/stainless steel clad material produced vice vacuum roll bonding[J]. Welding in the World，1998，4(2): 88-96.

[11] 劉書強，史小萌，張 濤. 工業(yè)射線膠片手動沖洗加工應(yīng)用[J]. 影像技術(shù)，2010(4): 41-43.

[12] 萬 一. 高頻感應(yīng)釬焊工藝參數(shù)對釬著率的影響[D].重慶：重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[13] 杜三明，李金山，沈百令，等. 電磁成形感應(yīng)器中的磁場分布特性[J]. 熱加工工藝，2002(1): 21-22.

2016-10-17

TG454

徐永亮，1991年出生，碩士研究生。主要從事異種金屬管路焊接、感應(yīng)釬焊的研究，已發(fā)表論文1篇，申報專利3項。