（材料加工工程专业论文）特薄壁高频焊管机组焊接工艺及质量控制技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：特薄壁高频焊管机组焊接工艺及质量控制技术研究 专业：材料加i i 程 。虚、一 硕士生：贺继有( 签名) ：丝缝：臼 指导教师：周好斌( 签名) 趟挑童么 u 。 0 摘要 有色金属( 这里主要是指铝及铝合金、铜及铜合金) 特薄壁( 0 5 - 0 2 5 r a m ) 管材 是汽车、空调器、机车、工程机械、船舶等以热交换器( 散热器、暖风机、中冷器、蒸 发器、冷凝器油冷器) 的形式，在以内燃机为动力的设备中广泛使用、且是不可缺少的 材料( 换热元件) ，其性能的优劣直接影响上述热交换器的性能，也相应影响主机的性能。 而影响铝散热器使用寿命中最重要的因素之一是特薄壁复合铝合金管的焊接质量，管子 旦发生泄漏，散热器即失效，为保证汽车散热器的使用寿命，复合铝合金特薄壁焊管 焊接工艺及质量控制技术就显得尤为重要。 高频焊接技术以其高质量、高效率、低成本等特点在黑色金属管材制造业中占有重 要地位，并逐渐在有色金属制管行业及热交换器行业中普及。在了解和掌握高频感应焊 接机理的基础上，对汽车散热器用特薄壁复合铝合金管的高频焊接生产技术与存在质量 问题做了较为深入的研究。同时结合黑色金属高频感应焊接的理论，通过对高频焊接v 形角、带料待焊边缘、挤压量、挤压力、感应圈、电流频率、输入功率等主要影响因素 及焊接工艺参数对焊接质量的影响研究，确定了高频焊接特薄壁复合铝合金管的最佳焊 接工艺参数以及技术参数、圆管成型轧辊的调整间隙和感应圈的内径的选择方法；明确 了焊缝缺陷和造成焊缝质量问题的根本原因，并通过对高频感应焊接特薄壁复合铝合金 管的焊接工艺方法的研究，提出了焊接质量控制和稳定生产的主要措施。 关键词：特薄壁铝管；高频焊接；焊接工艺；质量控制； 论文类型：应用研究 i i s u b j e c t ：s t u d yo nw e l d i n g p r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h em i l lu s e dt ow e l d e x t r at h i n w a l l e dt u b e w i t hh i g h f r e q u e n c yw e l d i n g e x t r a i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：h ej iy o u ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：z h o uh a ob i n ( s i a b s t r a c t ， p ，、 n o n f e r r o u sm e t a l s ( h e r em a i n l yr e f e r st oa l u m i n u ma n da l u m i n u ma l l o y ，c o p p e ra n d c o p p e ra l l o y ) t h i n w a l l e dt u b e s i sw i d e l yu s e di ne q u i p m e n t sw i t hc o m b u s t i o ne n g i n e 。p o w e r e d a st h eh e a te x c h a n g e r so fm o t o rv e h i c l e s ，a i r - c o n d i t i o n e r , m o t o r c y c l e ，e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ， s h i p sa n ds oo n ( f o re x a m p l e ，r a d i a t o r s ，h e a t e r s ，c o o l e r ，e v a p o r a t o r ，c o n d e n s e ro i lc o o l e r ) ，a s a l l i n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n t s o fh e a te x c h a n g e r s ，i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y a f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo ft h eh e a te x c h a n g e r s ，b u ta l s oi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo f t h em a i ne n g i n e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c t st h es e r v i c el i f eo fa l u m i n u mr a d i a t o r si s t h e w e l d i n gq u a l i t yo fe x t r at h i n w a l l e dc o m p l e xa l u m i n u mt u b e s ，o n c e t h et u b e sl e a k e d ，t h e r a d i a t o r 、) 的u l db ef a i l u r e ，i no r d e rt oe n s u r et h es e r v i c el i f eo ft h er a d i a t o ru s e di nc a r , t h e w e l d i n gp r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ee x t r at h i n - w a l l e dc o m p l e xa l u m i n u m p i p ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw e l d i n gt e c h n o l o g i e s ，h i g hf r e q u e n c yw e l d i n gt e c h n o l o g y h a sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef e r r o u s m e t a l si n d u s t r yb e c a u s ei t sh i g h e f f i c i e n c y , h i g h q u a l i t y , l o wc o s ta n do t h e rf e a t u r e s ，a n dg r a d u a l l yw i d e s p r e a d i nt h en o n f e r r o u si n d u s t r y a n dh e a te x c h a n g e ri n d u s t r y i nt h i sp a p e r , b a s i co nt h em e c h a n i s mo ft h eh i g h - f r e q u e n c y i n d u c t i o nw e l d i n g ，t h eh i g hf r e q u e n c yw e l d i n gt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yo fe x t r at h i n w a l l e d c o m p l e xa l u m i n u mt u b e su s e di na u t or a d i a t o ra r es t u d i e dt h o r o u g h l y u n d e r t h eh e l pt h a tf r o m t h eh i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gt h e o r yo ff e r r o u sm e t a l s ，t h r o u g ht h es t u d yo nh o w t h e m a i nf a c t o r ss u c ha st h ev e e ，t h ee d g e so fm a t e r i a lt ob ew e l d e d ，s q u e e z i n g ，w e l dp r e s s u r e ， w e l d i n gc o i l s ，f r e q u e n c yo fc u r r e n t ，p o w e ro fi n p u t ，a n dw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c tt h e w e l d i n gq u a l i t y ，t h ep a p e rg a v et h eb e s tw e l d i n gp a r a m e t e r so ft h e t h i n - w a l l e dc o m p l e x a l u m i n u mt u b e si nh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n g ，a sw e l la st e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h eg a p s b e t w e e nf o r m i n gr o l l e r sa n dt h em e t h o dh o w t os e l e c tw e l dc o i l s ；b e s i d e s ，i ta l s oc e r t a i n e dt h e k i n do ft h ew e l dd e f e c t sa n dt h er e a s o n sc a u s e dw e l dq u a l i t yp r o b l e m s ，a n dt h r o u g ht h e r e s e a r c ho nt h em e t h o d so fh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n gt e c h n o l o g yo fe x t r at h i n w a l l e d c o m p l e xa l u m i n u mr o b e s ，a tl a s t ，g i v et h em a i nm e a s u r e st oc o n t r o lw e l d i n gq u a l i t ya n dt o s t a b l et h em a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：t h i n - w a l l e da l u m i n u mt u b e s ；h i g h f r e q u e n c yw e l d i n g ；w e l d i n gt e c h n o l o g y ； q u a l i t yc o n t r o l ； i i i 符号说明 符号说明 c p 管坯材料的比热容 c o 驴一感应圈外径 d l 焊管外径 f 临临界焊接频率 ，焊接电流 ，管坯待焊边缘电流密度 k 管坯材料的导热率 感应圈至焊点的距离 p - 式验压力( m p a ) q 输入管坯的热量 尺回路阻抗 r 管坯待焊边缘的温度分布 f 加热时间 机组速度或焊接速度 z 沿v 形角的的距离 仃管坯材料的导电率 江导体中电流密度的幅值 s ：p 材料的热扩散率 v i c i ，_ 一感应圈长度 d 线圈内径和管子之间的间隙 d 管材壁厚 卜电流频率 厶流v 形角的总电流 j 一再 墨能量转换效率 研热扩散渗透深度 风焊接所需的总功率 目管坯待焊边产生的热量 s 材料的许用应力( n m m 2 ) r 所需的焊接温度 v 稿临界机组速度 - v ”形角边长 卜电流渗透深度 材料的相对导磁率 p 管坯材料密度 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 论文作者签名：咨逞磕查 本人承担一切相关责任。 醐：彳业 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：垒逝 导师躲斛 日期： 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第章绪论 第一章绪论 1 1 概述 自上世纪5 0 年代高频焊接技术开始应用于焊管生产以来，由于它有着厚度均匀的管 壁、光洁的表面和强度较高的焊缝，以及高效率、高质量、低成本等优点，在建筑、石 油化工、汽车、军事等领域迅速得到广泛的应用i l 引。大到石油、自来水、天然气、煤气 等行业使用的、直径可达到8 0 0 毫米以上的输送管道；d , n 直径只有十几甚至几毫米的 汽车用的刹车油管、压缩空气管及其它结构管件【3 ，4 1 。可以说在民用钢管产品中，目前大 多都是采用高频焊接方法生产。在焊接方法上，也由高频接触焊接发展到高频感应焊接， 特别在小直径的管件焊接中，基本上都采用了高频感应焊接方法【5 】。 目前铁磁材料的高频焊接生产技术已经非常成熟，而弱磁或非磁性材料( 如不锈钢、 铜、铝等) 高频焊管的生产，一直是国内外研究和发展的重点课题。高频焊接不锈钢焊 管是研究较多、应用较早的一种生产方法，目前在军事、石油化工、汽车、建筑装潢、 以及日常生活等各个方面都得到了广泛的应用，特别是装饰用不锈钢管的生产，几乎全 部采用高频焊接，焊管壁厚可以达到0 5 o 3 m m 。高频焊接铜管与铝管，上世纪七、八 十年代开始在空调与制冷、汽车、机车、轮船等热交换器行业中得到迅速地推广【6 , 7 , 8 l 。 就汽车散热器和空调两器而言，目前欧美基本上全部采用高频焊管。而我国空调与制冷 行业以及汽车热交换器行业，年需求铜、铝等管件约2 0 一2 5 万吨，但直到上个世纪九十 年代中期，才有散热器行业的部分公司从国外引进有色金属高频焊管技术。目前，铜管 的生产只在2 0 0 2 年引进了一条空调内螺纹管生产线，总的生产能力也不过年产2 0 0 0 吨 空调与制冷用内螺纹铜管。而全国铝制高频直缝焊管年产量只有约5 0 0 吨左右。现就国 内情况而言，铝散热器总生产能力约2 0 0 0 万台左右，主要是用于国内乘用车、大排量摩 托车，占国内散热器市场份额还比较小，考虑到中国汽车工业的发展趋势及铝散热器在 国外的发展过程，未来中国铝合金散热器的发展也必然遵循此路。因此我国铝散热器用 管市场前景非常广阔，铝合金焊管的需求也是必然的。 由于铜、铝等有色金属的高频焊管技术在国内起步较晚，发展时间短，特别是特薄 壁铝及其合金高频焊管的研究，很少看到有关这方面的研究报道，在应用方面就几乎为 零了。1 9 9 7 年，由湖北汽车工业学院牵头承担了国家九五攻关计划及8 6 3 计划集成支持 项目一轿车铝散热器用薄壁高频焊管材料性能及其制造技术研究”项目，这是国内最 早展开薄壁有色金属高频焊管的应用性研究项目。 由于汽车散热器使用的是特薄壁小直径的复合铝合金管，焊接的难度大、技术要求 高，国内批量生产才刚起步，许多关键技术还没有完全掌握。虽然近年来，湖北汽车工 业学院与十堰市大华伟业科技有限公司经过几年的共同努力，成功研发出我国第一条汽 车散热器用特薄壁复合铝合金管生产线，该生产线生产的汽车散热器用特薄壁高频焊接 西安石油又学顶i j 学位论立 复台铝合会管的所有指标，基本满足用户使用要求但和国外同炎j “品相比，尚存在一 些问题，还有许多工作耍做。如生产过程中有刈出现些漏焊、埘压值低以及耐雎值不 稳定等产品质量问厦。为了解决这些问题，我们从被焊材料、生产工艺参数等各个方面 进行了研究，找出了焊管质量问题的存在方式以及造成这种质量问题的根本原因，提出 了改进方法并加以实现，最终解决了生产中存在的问题，确定适台于生产的最佳工艺参 数，使产品质量得以提高，焊接过程得以稳定。 1 2 研究汽车散热器用特薄壁铝管高频焊接的目的和意义 一个典型的汽车散热系统由散热器、空调冷凝器、暖矾机、空调蒸发器、中冷器、 机油冷却器、e g r 冷却嚣等部件中的数个或全部组成。其中，中冷器、散热器、暖风机、 油冷器中管件制造的主流技术为高频焊接。总成采用真空钎焊( v b ) 或可控气氛钎焊 ( c a b ) 制造i 。 由于铝合金散热器具有热交换效率高、重量轻等优点，己在国外热变换器行业中大 量使用。如图1 1 所示为欧美日铝散热器在过去2 5 年的发展历程”j 。由图可以看出铝合 金散热器在很短的时间内，在各工业化国家达到一个非常高的市场份额。而国内目前很 图1 1 各国铝散热器市场份耘 少有机车、重型汽车、工程机械及移动发电机组散热器用国产高频焊薄壁管材产品 ( f o3 0 r a m ) 供应，国内用户用管大多从国外进口虽然现在国内有自主开发的制管线， 但产品品种单一、成品率较低、产量较小。还不能满足我国汽车行业的需求。传统上， 第一章绪论 我国汽车、机车、移动发电机组、工程机械及重型汽车等散热器用管均为咬口钎焊管或 挤压拉制管，由其制成的散热器不仅成本很高，而且使用寿命短，散热性能差，高频焊 管散热器与之相比，不仅重量轻，散热效率高，而且寿命可比原使用咬口管提高数倍。 此外，从能源危机的角度来看，散热器总成的铝化是汽车轻量化的一个重要内容之 一，既由传统的铜材改为密度相对较小的铝材，以达到减轻重量、节省能源的目的。据 资料介绍1 1 0 】：自7 0 年代以来，欧洲中档轿车散热器系统的重量减少已超过5 0 ，接近 5 7 k g ，整车重量减少超过1 ，燃油节省达o 1 升1 0 0 公里，可见节能效果是非常明显 的。由于近年来国家节能及排放标准的提高、铜价的飞涨、汽车轻量化要求等因素，散 热器用材必然将改用铝及其合金材料。 近几年来，我国才开始散热器铝化方面的相关研究工作，由于刚刚起步还没有展大 规模的研究工作，严重影响了我国轿车工业的发展以及引进车型的国产化。其根本原因 之一就是我们至今尚未完全掌握国外在2 0 年前就己经掌握了的散热器用有色金属特薄 壁复合铝合金管的高频焊接制造技术。而相比之下，国外散热器铝化技术已经相当成熟 了，不论铝散热器用基础材料的研发还是各种规格散热器用管的制造技术，都能保证散 热器系统铝化的顺利进行。目前高性能、低价格的铝散热器用管，国外设计及制造壁厚 已达到0 2 0 4 m m ，几何尺寸已经相当完善，是挤压、拉制管目前水平难以做到的。 为了改变我国汽车散热器用管依靠进口的局面，打破国外对散热器用管的市场及价 格垄断，摆在我们面前的一个重要任务就是使高频焊接特薄壁管材制造技术的国产化， 形成独立自主的散热器用管材研究开发体系，达到性能优异、质量可靠、价格低廉、规 格品种齐全，并能大批量稳定生产。因此我们研究汽车散热器用特薄壁复合铝合金管高 频焊接技术，不仅可以代替进口，还可促进热交换器行业的技术进步，提高行业散热器 生产的技术水平。 1 3 国外技术与发展现状 有色金属管材( 这里主要指铝及其合金、铜及铜合金) 以其良好的导热性能一直是 热交换器行业首选的热传输管材。尽管不同行业对产品的规格、形状尺寸等要求不同， 但在制造工艺的选择上最有代表性的还是高频焊接l l ，2 j 。 1 3 1 汽车散热器用有色金属特薄壁铝管的制造技术 汽车散热器系统( 水箱、蒸发器、冷凝器、中冷器、暖风、机冷器) 轻量化是汽车 轻量化的一个重点领域，据资料介绍【l o 】：自2 0 世纪7 0 年代以来，欧洲轿车散热器系统 的重量减少已超过5 0 ，接近5 7 k g ，整车重量减少超过1 ，燃油节省达o 1 升1 0 0 公 里，可见节能效果是明显的。 在散热器系统轻量化的进程当中，特薄壁复合铝合金管的高频焊接技术就显得尤为 重要了。自2 0 世纪9 0 年代以来，国外有些国家就投入了大量人力、物力进行开发研究， 西安石油大学硕士学位论文 不仅在散热器用基础材料、散热器管材的设计、制造、及应用方面有重大突破，而且在 单体基础设备、光机电一体化、成套生产线的自动控制方面也取得了许多研究成果，极 大的促进了汽车散热器行业乃至汽车行业的进步，取得了较大的社会经济效益。 a 国外铝及其合金高频焊管的发展 2 0 世纪6 0 年代以前，汽车散热器用材基本上都采用铜材，7 0 年代以来随着全球范 围内的能源危机以及环保呼声的日益高涨，加之铜价上涨，极大地刺激了散热器系统的 轻量化以及行业节能降耗的要求，散热器系统铝化的趋势日益明显。由于高频焊管是散 热器系统的核心组成部件，在散热器制造中有着重要的作用，各工业化国家先后投入了 大量人力、物力进行了系统的研究，取得了许多成果p ，4 j 。 在高频焊接所焊材料方面，不但能焊接单金属管材，如3 0 0 3 ，而且还可焊接带有钎 料覆层的双层金属管材，4 3 4 3 3 0 0 3 、4 0 4 5 3 0 0 3 、4 0 4 5 + z n 3 0 0 3 。为解决铝散热器管内穿 孔腐蚀问题延长散热器的使用寿命，也可焊接具有防腐性能的7 0 7 2 3 0 0 3 4 3 4 3 三层复合 金属管材；在所焊管材壁厚方面，目前铜己达到0 0 8 8 9 m m ，而铝材则达到0 2 0 m m ，在 管子形状参数( 长短轴之比) 方面已达到了2 0 倍以上。这样的形状参数是挤压拉制管目 前水平难以做到的。 在追求散热器向轻量化发展的过程当中，又有新的问题出现：管材强度的下降，所 以就要求高频焊接技术必须可以焊接含镁的材料，m g 能使管材强度提高，而又不影响 随后的钎焊过程，这就要求可以焊接四层以至五层复合的材料，高频焊接可以生产多种 材料散热器用管，为汽车散热器的生产应用提供了雄厚的材料基础。 此外，为了提高散热效率，利用高频焊技术，还可焊接管壁带有凹坑的紊流管，这 种管可以大大提高散热效率。所以目前在空调与制冷行业有大量应用。 散热器失效的常见形式就是散热器用管内部因腐蚀而发生泄漏，其一旦发生泄漏， 散热器即失效，而对于铝散热器来说，修复很困难。因此，散热管内部的耐蚀性就成为 影响铝散热器使用寿命的重要因素之一，针对此问题，国外做很多研究，其中最主要的 方法有： l 、采用维护良好的封闭冷却系统，使用含3 0 , - 4 0 ( 体积百分数) 防腐乙二醇溶液， 此种方法己证实对散热器散热效率影响较大【9 1 。 2 、原材料采用覆有7 0 7 2 的多层复合铝合金，因为7 0 7 2 铝合金有较高的z n 含量( 化 学成分详见表4 1 ) ，所以有较强的防腐性能。如图1 2 所示。 4 第一章绪论 ( a ) 复合层材料捍缝说明( b ) 焊缝( 叫0 0 ) 图i - 2 三层复台材料高额焊管 就汽车散热器用管而言，它是散热器最关键的组成部分，能甭生产质量高、价格低、 规格品种齐全、适用范围大的散热器用管，对汽车工业来说至关藿要。虽然国外在散热 器所用材料方面取得许多研究成果，并将这些研究成果成功地应用于汽车i q k ，但这一 切的前提是制造工艺和技术的保证。 b 国外高频焊管设各及技术简介 高频焊管生产线是由多个单体基础设备组合构成，具体包括：带料丌卷机、高频焊 接电源、圆管成型机组、扁管成型机组、鞍直机组、高速飞剪机组、在线探伤及控制系 统等，如图1 - 3 所示 9 1 。 围1 - 3 国外高频焊管生产线示意图 高频焊接电源是影响高频焊管质量的重要因素之一，其输出功率、振荡频率的稳定 性直接影响着焊管的质量。目前普遍认为美国t h e r m a t o o l 公司是做高频焊接电源比较好 的厂家，其生产的焊接电源稳定性指标是：当网压波动1 0 时，其输出电压波动不大于 士1 ，频率稳定性为6 0 0 k h z 士1 0 而导致焊管出现针孔缺陷的纹波系数在附加的滤 波器下，可达到o2 以下。而由日本电兴株式会社与富士电机联台开发的此类电源，其 脑 塔芒“蹉 ，霆删必越 洲挫 曜 一雯腓斑。 西安石油大学硕上学位论文 纹波系数能低于0 0 4 ，如图l - 4 所示，极大的促进了薄壁有色金属焊接技术的芨展。 。隅丽解吨啊像躐囤 囊富一蠡 - 1 o 一 z 一一t 图1 4 日本m o s f e t 固态电源输出特性 尘6 w ， 所用电器元件，国外已经研发出用m o s f e t 管作为核心元件的震荡焊接电源，此种 焊接电源对于薄壁有色余属管的焊接极为有利，和过去的真空电子管震荡焊接电源相比， 不仅有更高的输出高频( 可达8 0 0 k h z ) ，体积小( 安装空间仅是振荡管焊接电源的1 凸 到1 2 ) 功率因数高( 可达9 5 以上) ，更重要的是稳定性好、节能。比真空管震荡电 源节能约3 0 5 0 。此外，使用寿命可达振荡管的1 0 倍，达到1 0 万小时咀上l i “。 带科圆管成型和扁管成型机组所用轧辊的工作方案也是影响焊管产品质量的重要因 素。不仅要保证待焊接边缘在成型过程中不产生折皱鼓包、搭接、错边、带料成型过程 稳定、可靠，而且要保证具有定的成型速度。据资料介绍【9 】，国外在这方面做了大量 研究工作，也提出许多成型方案，其中比较典型的成型方案有：扁管直接成型和圆管成 型后扁管成型。如图1 5 所示。 l 则锄 ( a ) 扁管直接成型 ( b ) 嘲管成1 9 后崩管成型 图1 5 国外焊管典型成型方案 此外，成型轧辊所用材料及其最终加工精度也是影响焊管产品质量的重要因素，轧 辊材料选择合适、加工精度满足要求时，不仅能提高焊管的产品质量，提高能量利用率， 还能延长轧辊的使用年限。国外已研发出了复合材料成型轧辊及陶瓷轧辊，并有部分用 第一章绪论 于实际生产，如焊接挤压辊、导向辊以及导向片等已全面陶瓷化。生产实际证明，此类 轧辊在生产线高速运转时可以不润滑或少量润滑，同时也免去了焊管产品钎焊前的清洗 工作，不仅提高了产品质量以及能量利用率，而且提高了生产率。 控制系统是高频焊管生产线的大脑，它是决定生产线能否稳定、高速、自动连续运 行关键部分，也是影响焊管质量的重要影响因素之一。当部分参数的波动超过允许范围 而影响焊接质量时，它可以自适应的调节相应的参数，在很短的时间内使系统在新的平 衡状态下稳定运行。例如当系统出现不稳定情况时，高频焊接电源和机组速度可在十几 毫秒的时间内达到新的正常状态。 此外，在生产线控制方面还开发了图像诊断系统。这是一个以微处理机为核心的整 套图像系统，它可以为制管线操作人员提供连续的焊接情况显示以及故障显示，当设备 发生故障时，对引起停机或故障的原因给予显示，同时为保证焊接过程的稳定性，此系 统可以储存多种资料，例如焊接参数、日期、操作人员姓名、批量、产品等级和线图编 号等都可以存储在其中，下次生产可以直接调出使用。这样不仅可以简化焊前准备、节 省时间，而且能保证同一产品在不同时间段内生产时，焊接参数的一致性。还有一些焊 接参数是操作工人不能修改的。在上述各单体成套设备及控制系统的基础上，国外已成 功地建成了许多高频焊管线，如日本至9 3 年底已安装了2 1 条生产线，并已成功地应用 于铝散热器用管的生产，焊接速度方面日本已达到1 5 0 m m i n 以上，美国已达到 1 9 8 m m i n 。 1 4 国内技术与发展现状 在我国，随着几个引进轿车车型的国产化，散热器铝化方面的研究工作才刚刚起步， 与工业发达国家相比，我们在汽车铝散热器生产制造技术方面的差距还很大。特别是散 热器用特薄壁复合铝合金高频焊管的大批量产业化生产技术，以至于大多商用车使用的 还是咬口管铜散热器，即使是轿车部分也在使用铜散热器，而这在工业发达国家早已被 淘汰，主要是由于其污染及成本较高，而且材料浪费严重，比高频焊管多耗材约1 5 以 上，除此之外铜价的上涨也是其被淘汰原因之一。 我国钎焊式铝散热器的大批量生产也是刚刚开始。而就散热器管用基础材料而言， 在“8 5 ”期间，我国开始了铝散热器用基础材料的研究，到“9 5 ”期间有一定的生产能力， 但由于其产品在某些方面的研究还是空白而没有被汽车行业完全认可，比如耐腐蚀性能、 钎焊性能、强度等，严重影响了我国散热器铝化的进程。 上个世纪8 0 年代，为配合装配式铝水箱的研制，东风汽车集团开展过高频焊薄壁铝 管( 0 1 3 o 5 m m l f 2 1 ) 的研究工作，也获得了一些研究成果，例如在成型方案、焊接设 备、焊接工艺等方面都获得可喜的成果，由于种种原因，此研究工作被迫中断，此后， 这方面研究工作再无人继续，使铝散热器的发展失去了此次良机。直到上个世纪9 0 年代， 中外合资弘大汽车空调散热器有限公司才引进了一条高频焊管生产线，该生产线是由美 西安石油大学硕士学位论文 国m a c n c i a 公司制造，适用于焊接0 1 8 x 0 3 5 m m 、0 1 2 x 0 3 5 m m ，材料为4 3 4 3 3 0 0 3 的圆管及相应尺寸扁管，设计生产能力每年1 5 万辆份，远远不能满足我国汽车工业对散 热器管多品种、多规格的需求。如东风汽车公司a f 轿车的铝散热器用管为 r 2 6 x 2 x 0 3 5 m m ，暖风用管为0 8 2 x 0 3 5 m m ，富康车用管为0 7 x 0 3 5 m m 等。特别需要指 出的是，该生产线所用材料系进口，而我国国产相应材料因某些性能原因，如月亮弯、 厚度均匀性、强度、塑性以及国外厂商占领中国市场因素等问题，该线尚不能采用。而 一汽集团公司为满足本公司奥迪、捷达车型需要与福特汽车公司合资建立了一汽福 特散热器公司，由美方提供一条高频焊管生产线，设计速度9 0 - 1 5 2 m m i n ，用来生产高 性能的钎焊式铝散热器，生产线仅能满足一汽集团公司需求。 目前，至于在铝散热器用材的钎焊性能、耐腐蚀性能等方面，国内虽然己经进行了 一些研究，但要被汽车行业所认可、采用，估计还需要几年时间。 由以上介绍可知，在节能和环保成为两大发展主题的今天，要使我国铝汽车散热器 的发展接近世界先进水平，促进我国轿车工业的发展，在铝散热器用管的制造技术、质 量控制等方面，建立独立的研究开发体系，对于散热器行业乃至汽车行业有着重大意义。 1 4 1 国内高频焊管设备及技术简介 有关国内有色金属特薄壁管焊接设备及其技术特点等内容详见：“2 2 1 汽车散热器 用特薄壁铝管高频焊接生产线简介 章节。 1 5 课题的来源与研究思路 1 5 1 课题来源 近年来，虽然国内自主研发的高频制管线设备能生产出所需要焊管产品，但是由于 高频焊接特薄壁复合铝合金管的焊接技术还没有完全掌握，和国外相同规格的产品相比， 国内所生产焊管产品中存在一些质量问题，这些质量问题中最重要的是焊缝出现漏焊、 耐压值偏低、耐压值不太稳定等问题；另一方面，为了打破国外在高品质散热器系统领 域内的技术垄断地位，改变我国铝散热器的关键件特薄壁复合铝合金高频焊管及生 产装备依赖进口的局面，促进我国汽车工业及相关领域的发展，我们与湖北汽车工业学 院、广州大华仁盛科技有限公司以及武汉威尔特管业科技有限公司一起合作，共同开展 “汽车散热器用有色金属特薄壁高频焊管机组焊接工艺及质量控制技术”的研究工作。 1 5 2 研究思路 由于国内在本课题所涉及方面的研究很少，再加上国外的技术封锁，而且试验涉及 地方较多等条件的限制，研究工作中的技术难度比较大，为此，我们在分析、了解本课 题中制造技术、设备构成及工艺参数方面存在的几大难点之后，有针对性的确定攻关技 术方案及研究思路。 8 第一章绪论 首先了解有色金属特薄壁高频焊管线设备的几大组成部分，主要包括以下几部分( 根 据工艺布局的先后顺序排列) ： 双工位带料开卷机带料张紧装置超声波剪切对焊装置圆管成型机组及 成型轧辊高频感应电源及感应圈导向、挤压焊接装置及导向挤压轧辊令却 装置刮疤、空气净化装置扁管成型机组及成型轧辊同步速度采集系统 涡流探伤检测系统一管型矫直机组及矫直轧辊落料飞剪系统成品落料平台。 a 主要技术难点分析 1 、高频焊接电源。由于有色金属焊管所用高频电源不仅要保证焊管速度不小于 6 0 m m i n 时所需的电功率、焊接特薄壁有色金属所需的合适的高频频率( 至少在4 0 0 士 1 0 h z 以上) ，而且对电源输出的稳定性和可靠性有很高的要求，如要求直流高压波动 和纹波系数( 纹波电压与输出电压之比) 均不得超过1 的指标。国内高频设备制造的 水平要达到上述指标确实有一定难度。 此外，据有关资料介绍国内的固态高频电源目前所能达到的技术指标与国外水平相 比较还有如下差距【1 2 1 ： 1 ) 频率相对较低而且稳定性较差，国外先进固态焊机工作频率己达到6 0 0 8 0 0 k h z ， 而国内固态焊机工作频率最高为5 5 0 k h z ，除此之外，在稳定性方面和国外相比，国内固 态高频焊机波动指标太大，国外生产高频电源的频率波动范围很小，例如美国t h e r m a t o o l 公司生产的固态高频电源输出纹波很小，电流稳定，焊缝熔化区间均匀，因而出现的焊 接缺陷较少。因此提高工作频率及稳定性，是提高有色金属特薄壁管焊接质量的有效方 法之一。 2 ) 容量小，国外已有能力生产1 7 0 0 k w 固态高频焊接电源，而国内目前制造高频电 源的水平不如国外一般，要生产8 0 0 k w 固态焊机也有一定的难度。 3 ) 智能化程度低。国外开发了图像诊断系统，它可以为设备操作人员提供连续的焊 接情况及故障显示，对可能引起系统停机的情况做出早期的预警或警告。 由于国内焊接电源和国外相比存在上述不足，为了保证焊管产品的焊接质量，减少 可避免的不可控环节，焊接电源采用美国t h e r m a t o o l ( 上海) 公司的高频电源。 2 、机械装置精度要求非常高。如圆管成型机组、导向装置、挤压焊接装置、扁管成 型机组、管型矫直机组等，不仅在加工精度上要求很高( 可以说对其机械加工精度要求 之高、形状要求之严在国内机械加工行业己走到了顶点) ，在装配工艺方面也要求用特殊 的装配工艺和装配手段来保证。尤其是其中的圆管成型、导向挤压焊接、扁管成型及管 型矫直轧辊，要求孔型规划与孔型设计曲线的各节点之间的连线圆滑或基本成直线( 如 图1 - 6 所示) ，各架次成型尺寸的过渡也要平滑，不可出现尺寸的疏密交替现象。 3 、成型轧辊。轧辊不仅在形状尺寸上要求非常高，在轧辊用材方面的要求也比较高。 要求其必须耐磨性好、淬透性好、最终硬度高及可加工性好等。 9 西安石油大学硕士学位论文 圆弧中心 中点轨 图1 6 辊形变形规则曲线 4 、多层复合铝合金的焊接性较差。由于带料有以下一些特点，从焊接性的角度来看， 对高频焊接提出了比较高的要求： 1 ) 铝和氧的亲和力很大，所以材料表面容易形成氧化物，由于其熔点高于材料的熔 点，若在焊接过程中不能有效去除，一方面是导致待焊母材金属不能直接接触，不能形 成牢固的焊接接头，另一方面是残留在焊缝中影响焊接接头的强度； 2 ) 材料的熔点低、熔化区间比较窄，焊接温度比较难控制，导致高频焊接困难； 3 ) 材料有良好的导电、导热特性。热传输非常快，导致功耗大，加热困难； 4 ) 所生产焊管的管径太小，无法使用阻抗器。 b 研究思路 针对生产线出现的问题，以及现有设备状况，本课题认为造成产品焊接质量问题的 原因是因为焊接过程当中的某些工艺参数或影响因素发生了变化的可能性较大，而使焊 接过程或焊接质量变得不稳定，因此必须要在焊接工艺参数和工艺调整上下功夫，所以 本文从生产过程中的工艺参数选择与调整方法入手，排除一些可排除的因素，如为了降 低能耗，减小焊接挤压辊在高频电流作用下的发热现象，延长使用寿命，保证焊管的焊 接质量，挤压辊材料选用非磁性材料等。研究可能造成质量问题的各个工艺参数选择是 否合理，调整方法是否得当，最后在理论分析的基础上对可能影响焊接质量的可变因素 进行试验验证，最后找出产生焊接质量问题的原因并提出改进措施，确定最佳工艺条件。 1 6 本章小结 由于近年来国家节能、环保的要求及铜价的上涨，我国散热器行业目前正处于技术 改造与发展的关键时期，需要用铝散热管来替代传统的咬口钎焊铜散热器管，以满足系 统压力及散热性能提高的要求，同时需要以高频焊管为基础来改变传统的散热器设计理 念，以满足散热性能进一步提高、成本降低、重量减轻的要求。 本章介绍了铝散热器在国内外的发展及使用情况，国外在散热器铝化方面已经做的 l o 第一章绪论 很到位了，而国内在散热器铝化方面才刚刚起步，所以国内有色金属铝及铝合金特薄壁 管材市场容量巨大，降低热交换器的生产成本及能耗，具有很大的经济及社会效益。 西安石油大学硕士学位论文 第二章研究内容及方案设计 2 1 课题研究的主要内容 有色金属管材( 本论文中主要指铝及其合金、铜及铜合金) 因具有良好的机械、理 化及工艺性能而一直被热交换器行业首选作为热传输管材，但是由于焊接质量问题得不 到很好的解决，一直制约着我国热交换器行业的发展，如果能够通过对现有国产生产线 的分析研究，进一步找出这些缺陷和造成这些缺陷的原因，就可以找到解决这些焊接质 量问题的方法。由于焊机是引进的美国全套设备，在国外已有很多应用，而且运行的很 稳定，所以因焊机故障造成焊接质量问题的可能性不大，因此，本课题主要从焊接的材 料、焊接工艺参数的选择、调整以及焊接质量控制等方面进行研究，同时对特薄壁复合 铝合金管在成型过程中可能造成产品焊接质量缺陷的因素进行研究，研究稳定焊管生产 和提高焊接质量的方法。具体内容如下： l 、首先研究高频电流的两个基本的物理现象，即邻近效应和集肤效应，然后对高频 焊接的基本原理和焊接加热过程进行研究； 2 、研究高频感应焊特薄壁复合铝合金管的生产工艺与工艺参数。调查研究分析可能 影响铝散热器焊管焊接质量的影响因素和原因，对影响焊接质量的主要工艺参数、影响 因素以及焊接过程进行深入研究； 3 、对现在生产的特薄壁复合铝合金管存在的质量问题进行研究，研究其产生规律， 并进一步研究确定造成这些焊接质量缺陷的原因，然后提出相应的解决措施； 4 、总结确定能用于生产的焊接工艺规范参数及技术文件以提高产品焊接质量，降低 焊接过程对环境参数的敏感程度，提高产品质量的稳定性。 2 2 课题研究方法及方案设计 近年来，我国才开始了散热器铝化方面的技术研究，而生产铝散热器组件的关键设 备_ 特薄壁复合铝合金高频焊管线”，虽然国内已经成功研发出自己的制管线，但由 于技术没有完全掌握，或部分设备的生产能力还不够，使得我国研发的生产线目前还不 能完全脱离国外，有部分设备还必须从国外引进。国内也有部分厂家从国外引进整条生 产线，但由于技术上的封锁和保密，致使我国至今没有掌握国外在2 0 年前就己经掌握了 的铝散热器用薄壁管材高频焊接核心制造技术。严重影响了我国汽车工业，特别是轿车 工业的发展。 2 2 1 汽车散热器用特薄壁铝管高频焊接生产线简介 我们所研究的特薄壁复合铝合金高频制管线的设备组成形式及布局如图2 1 所示。 由图可以看出高频感应焊接制管线主要是由双工位带料开卷机、超声波剪切对焊装置、 张紧储料活套、张力自动调节装置、圆管成型机组、导向焊接装置、冷却装置、刮疤装 1 2 第二章研究内容及方案设计 置、空气净化装置、扁管成型机组、同步速度采集装置、涡流探伤系统及管形矫直机组、 高速飞剪切断机、输送滚道等几部分组成。其实物如图2 2 所示。电气控制全套设备为 p l c 控制。为了方便启动，生产线备有遥控器或操作盒。此外，沿设备操作区设有多组 紧急停机按钮。 我们可以把这些设备及其一些附件分为成型站、焊接站、扁管站、矫直站以及切管 站五部分。成型站包括了成型伺服驱动电机、圆管机组变速箱、润滑冷却系统以及一系 列的圆管成型辊轮组。带料经这些辊轮组逐渐变形为所需要的圆形管径，然后进入高频 焊接站；高频焊接站包括固态高频焊机、循环冷却水、高频焊接挤压装置、刮疤装置以 及冷却润滑装置；扁管站包括扁管伺服驱动电机、扁管机组变速箱、润滑系统以及一系 列的扁管成型辊轮组，焊管经这些扁管成型辊轮组后变成扁管；矫直站同样包括扁管驱 动伺服电机、扁管机组变速箱以及成扁焊管矫直辊轮组，焊管经矫直辊轮组调校至最终 管形；切管站由计算机控制伺服电机驱动高速旋臂切刀，按指定长度切管，切管长度公 差0 3 m m ，切管频率最高达每秒1 5 根。切管装置的特点：触摸屏，易于操作在线修改 切长，无须停机高速切换控制，切长误差小，刀片和刀模易于更换，控制器可以通过接 口对外通讯。 具体的工艺过程为：带料从开卷机出发( 由一独立的变频调速电机来驱动放料) ，经 超声波剪切对焊装置，将前卷带料的尾部与本卷带料的首部剪切后使用超声波焊接首尾 对接，这样不仅节省时间，而且减少了材料的浪费；之后带料通过张紧储料活套将带料 的平行传送变为竖直传送，储料活套将竖直的带