铝合金覆层冷凝器集流管高频焊焊缝金相与生产工艺的映射

随着科学技术的进步，人们用来探索事物真相的仪器设备也在不断升级，如对铝合金覆层冷凝器集流管（以下简称集流管）高频焊焊缝品质的确认，采用传统的压扁、扩口、胀管、翻边、试爆等宏观检查方法已不能满足该管严苛的使用要求。因此，必须在传统宏观检查方法的基础上，借助无损探伤、金相显微技术、能谱分析技术等微观手段对焊缝进行观察、分析、判断，发现肉眼难以直接观察的微缺陷，进而有的放矢地对集流管生产工艺实施精准改进。由于高频焊集流管焊缝强度是铝管坯、焊管机组、轧辊模具、实际操作等生产工艺综合作用的结果，必然会在焊缝处留下相应痕迹，焊缝融合线和金属流线金相图等就是这种综合作用留下的烙印。根据现象与本质、原因与结果的哲学原理，可以肯定地说，焊缝融合线和金属流线金相图与焊管生产工艺必定相互映射，透过金相图就能解读出潜在的工艺成因，继而不断改善集流管焊缝品质。

太极虎对身后六个灰衣人示意。天问大师道：“贫僧为贵会代劳，也正好了结本门与他昔年的一段恩怨。”只手拿云十余年前独闯少林，少林想挽回颜面曾多次派达摩堂弟子下山。但由于只手拿云不知何故息隐未能如愿。太极虎欣慰地道“：大师放手施为！”

1 高频焊铝合金覆层集流管焊缝金相图解析

1.1 高频焊铝管焊接原理简介

高频焊铝管焊接原理是建立在电磁学理论中的焦耳—楞次定律基础上，并充分利用高频电流的临近效应和集肤效应特点，其基本原理如图1所示。当交变电流i通入感应圈时，在感应圈所围面积内会产生随时间变化的交变磁通量，这一磁通量使通过其中的待焊铝管坯受到电磁感应，产生感应电势和感应电流；并且电流方向所产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化，而这种阻碍、对抗作用的结果是把感应圈中的电能量转化为感应电流在待焊铝管坯回路中的电能，继而焊管坯回路中的电能又转化为焦耳热能；当感应圈中通入高频电流时，待焊铝管筒中的感应电流及其焦耳热能量的绝大部分就会汇聚到待焊铝管筒表面和相邻的待焊铝管坯两边缘，并且首先使铝管坯两边缘的金属持续升温，在达到铝合金熔融温度645～655°C时，被挤压辊施加的挤压力挤压在一起，完成焊接。

  

图1 高频感应加热待焊铝管坯的原理

在图1中，桃红色表示集肤电流，说明铝管坯壁厚上的电流呈不均匀分布，随着与铝管坯表面的距离逐渐增加，铝管坯内部的电流密度呈指数递减；而且，随着电流频率的不断提高，铝管坯内的电流会越发集中到待焊管筒内外表面，管筒中性层部位几乎没有电流流过。红色渐变色表征高频电流临近效应的变化规律:随着待焊铝管筒两边缘间距逐渐变小，集中在待焊铝管筒边缘的电流密度逐渐增大，即焊接热量不断增高，直至达到焊接温度，形成焊缝，同时也在焊缝处留下了相应的冶金金相特征。

1.2 铝合金覆层高频焊焊缝的构成和金相特征

一条完整的高频焊铝管焊缝由热影响区、熔合线、金属流线和内外毛刺构成，如图2所示。

  

图2 铝合金覆层焊管焊缝构成 50×

1.2.1 铝合金覆层高频焊管焊缝热影响区

图2中熔合线两侧色彩较深，呈双曲线状的区域在焊接时虽然未发生熔化，但是这部分铝合金在焊接热循环作用下，从熔合线边缘开始往外，受到由高到低的焊接热影响，并经历了不同的特殊热处理，其组织和性能均发生变化，如与熔合线交界的部位，是液相和固相共存区域，该区域的晶粒比母材粗大许多，而距离融合线较远的热影响区边缘，晶粒与母材差别不大。

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她觉得他是感受了不同的女人，获得的不同灵感。她没说。但幸福感很快消失，快得她抓都抓不住，后悔得只想撕了自己的嘴。是自己太敏感了么？是自己不够强悍么？为什么她感觉她和那些他感受过的女人们没有任何不同，她不是他的谁，连女朋友都算不上，只是他性伙伴的其中之一。

高频铝焊管焊缝存在金属流线，说明焊缝组织不均匀，成分偏析，是一种缺陷组织。然而，从高频铝焊管焊缝金属流线的内涵及其特点看，它与焊接温度、焊接压力、挤压辊孔型、管坯边缘对接状态、成型调整等工艺息息相关，可以借助金属流线金相图来判断焊接工艺恰当与否。

本研究所有数据均通过统计学软件SPSS20.0统计处理，计数资料以n（%） 表示，用χ2检验；计量资料用（±s）表示，用t检验，若P＜0.05，提示差异有统计学意义。

1.2.2 AA4343/AA3003铝合金熔合线

由于覆层铝硅合金AA4343的熔点为613℃，低于AA3003铝锰合金基板的熔点（645℃），焊接时，覆层先于基板融化，所以当待焊覆层铝管筒两边缘金属被高频电流加热到645～655℃时，熔合线实际上只由AA3003基板演变形成。在这个过程中，基板铝合金表面的硅首先烧损并被挤出，于是由剩余金属形成的熔合线的金相组织主要是铝锰固溶体，AA3003集流管焊缝熔合线与氧化物的能谱分析如图3所示，熔合线能谱元素见表1。

  

图3 AA3003焊缝熔合线与氧化物的能谱分析

 

表1 AA3003铝合金熔合线（谱图3）能谱元素表

  

马克思对黑格尔矛盾观的解构主要体现在对其性质的批判。早在《〈黑格尔法哲学批判〉导言 》中，马克思就指出了批判的价值——“批判不是头脑的激情，它是激情的头脑。它不是解剖刀，它是武器。”［1］4马克思指出，黑格尔试图用思辨来解决现实矛盾完全是痴心妄想。“你们要求人们必须从现实的生活胚芽出发，可是你们忘记了德国人民现实的生活胚芽一向都只是在他们的脑壳里萌生的。”［1］8也就是说，黑格尔的唯心矛盾观主要错误在于把现象的矛盾理解为本质中的理念中的统一。

  

图4 细腰状熔合线与上、下金属流线簇形貌 50×

1.2.3 AA3003集流管焊缝金属流线

高频焊接时，待焊管筒边缘铝合金发生相变，晶粒变粗，金属流线就是这些粗大晶粒在挤压力作用下，向挤压力最小的辊缝空隙方向流动过程中留下的痕迹。由于这些相变后的晶粒比母材晶粒粗大，在显微镜下能够清晰看到由粗大晶粒构成的带状组织，即所谓的金属流线。

“标准”高频铝焊管的金属流线有3个显著特点:①以熔合线为对称轴呈现 “正态分布”线簇；②大致在偏离中性层t/（5～6）处将金属流线分为上下两簇，并且上簇流线的顶角小于下簇流线顶角，下簇流线的峰值小于上簇流线；③在正常工艺状态下，上簇金属流线的顶角为45°～60°，且上、下金属流线顶角相差10°～15°，但是这一差值随着上簇流线顶角的增大而减小。形成该现象的本质原因是:焊接时焊缝外壁的熔融铝合金受到来自挤压辊孔型边缘上压力（或称顶锻力）和辊缝共同作用，产生了迫使熔融铝合金向上流动的反作用力和狭窄通道；而内壁虽然也受到挤压力作用，但是不存在顶锻力和狭窄通道，熔融铝合金自然向下流动，故下簇流线顶角比上簇大（见图4）。

P=（P1，P2，…，Pn），其中 P 表示评语集，通过模糊综合评价得到的模糊评价向量，对窖泥质量对应各评价标准的隶属度的信息通过该模糊向量表示出来，体现评价的模糊特性。评语集是等级的集合，本文将窖泥质量分为十一个等级：一级、二级、三级、四级、五级、六级、七级、八级、九级、十级、十一级。

这时来了一位日本雕塑家，叫奥田杏花，他走进父亲的床前，伏身打开一只箱子，从瓶子里挖出黄色黏厚的凡士林油膏，涂在父亲面颊上，先从额头涂起，仔细地往下，慢慢擦匀，再用调好的白色石膏糊，用手指和刮刀一层层地搽匀，间或薄敷细纱布，直到呈平整的半圆形状。等待了半个钟头，奥田先生托着面具边缘，慢慢地向上提起，终于面具脱离了……奥田先生对面膜的胎具很满意，转头和内山完造先生说了几句话，就离开了。

2 高频铝合金覆层集流管焊缝金相与生产工艺的映射

高频铝焊集流管焊缝形态的金相图是铝焊管在特定生产工艺条件下的产物，或者说，金相图与生产工艺存在因果关系，前者是果，后者为因，因果映射。以下就其中比较典型的熔合线和金属流线金相图进行映射解读。

2.1 集流管焊缝熔合线金相与生产工艺的映射解读

典型的铝焊缝熔合线缺陷主要有宽粗型、模糊型、锥型、甩尾型、S弯型以及焊缝微裂纹和氧化物夹杂等7类。

2.1.1 宽粗型熔合线

宽粗型熔合线又分为整体宽粗、内外（上下）宽粗、内宽粗和外宽粗4种，如图5所示。

  

图5 融合线超宽类型

（1）整体宽粗型。指熔合线整体宽度超过表2所规定参考值的上限，图5（a）所示熔合线上、中、下的宽度均超过表2示值。整体宽粗型熔合线的工艺原因:①焊接线能量偏高。线能量是综合反映焊接电流、电压与焊速关系的重要焊接工艺参数之一，其与电流、电压的积成正比，与焊接速度成反比。无论焊接线能量高与低，都会在不同金相图上留下与之对应的“烙印”。当线能量偏高后，两对焊边缘熔宽增加，融化金属增多，脱硅量增大，铝锰固熔体熔合线变宽。②焊接挤压力偏小。对焊边缘熔融铝合金与形成的脱硅层（铝锰固溶体）挤出量相对不足，结晶后的铝锰固溶体呈现宽粗化。③焊接频率与壁厚不匹配。根据高频电流集肤效应原理，高频电流渗透深度与频率的平方根成反比。也就是说，在管壁厚度一定的情况下，如果频率选择较低，则管坯边缘加热区域增宽，由此形成的铝锰固溶体势必宽粗。

（2）内外宽粗型。指熔合线中间宽度与参考值相当，但是内外超宽，如图5（b）所示。基于铝管坯（AA4343/AA3003、H14）的屈服强度只有普通钢管坯（Q195、SPCC）的60%～70%，当粗成型立辊收的过紧时，立辊孔型上止口容易将成型管坯外边缘“啃食”掉；随后，进入精成型段的管坯内边缘极易被精成型上平辊导向环“啃食”掉，导致对焊边缘呈“X”形对接，管坯内外边缘处的熔融金属挤出量偏少，熔合线内外宽粗。

热影响区之所以表现为双曲线形，是因为待焊圆管筒在高频电流临近效应和集肤效应共同作用下，其内外边缘角部不仅在对焊面方向上集聚了大量集肤电流，而且在管筒内外表面也集聚了大量集肤电流，因而待焊管坯边缘上下角部的电流密度远远大于中部。这样，根据焦耳定律，在管坯壁厚方向上的热量分布必然是角部最高，愈往中性层热量愈低；相应地，由热传导规律可知，热量高的上下角部对母材影响范围宽，热量低的中部对母材影响范围窄。

扁平型金属流线，其上簇流线顶角＞60°，下簇流线顶角＞75°，与之对应的生产工艺见表3。

（3）内宽粗和外宽粗型。同理，成型管坯有时仅仅是内圆边缘或外圆边缘被“啃食”掉，这样就会出现熔合线内侧宽粗或外侧宽粗的金相图，如图5（c）、 图5（d）所示。

 

表2 常用集流管熔合线宽度参考值

  

壁厚/mm 融合线上下宽度/μm 融合线中间宽度/μm 1.0～1.20 10～25 7～17 1.25～2.10 12～40 8～27 2.50～3.0 20～55 14～38

2.1.2 模糊型熔合线

熔合线模糊不清晰(如图6所示)，与热影响区没有明显界线，是焊接挤压力过大的工艺反映。机理是:在高频电流集肤效应作用下，当频率在400 kHz时，电流渗透深度约0.043 mm，Φ25 mm×1.15 mm待焊铝管坯边缘被直接加热和热传导达到熔融温度的宽度区域为0.3～0.4 mm，过大的挤压力几乎将熔融铝合金全部挤出，真正焊合在一起的反而是那些在正常挤压力条件下熔合线与热影响区交界的区域，该区域的温度较低，而且越往母材方向温度越低，硅脱损越少，形成铝锰固溶体“亮线”的条件就越不充分，这是其一；其二是纵剪铝管坯纵切面撕裂严重，如图7所示，这种犬牙交错的对焊面在高频电流集肤效应和临近效应作用下，纵切面各点的焊接热量差异较大，过高、恰好与不足并存，熔合区必然模糊不清。

  

图6 熔合线模糊 50×

  

图7 管坯纵切面严重撕裂

2.1.3 锥型熔合线

锥型熔合线分正锥和倒锥两种，如图8所示。正锥型熔合线金相图显示上宽下窄，生产工艺成因为:①待焊管坯边缘呈V形对接；②挤压辊轴受力后存在仰角；③挤压辊孔型上边缘磨损严重，上压力不足；④成型管坯外边缘被粗成型立辊孔型轧压 “啃食”。无论是哪一个成因，最终都致使待焊管筒边缘外角部分接收到的挤压力小于内角。倒锥型熔合线的金相图表现则完全相反，呈上窄下宽。待焊管坯边缘呈Λ形对接、导向环对成型管坯内圆边缘有损伤以及管坯边缘翻边严重且毛刺面朝上成型等是其主要工艺原因。

  

图8 锥型熔合线

2.1.4 甩尾型熔合线

所谓甩尾是指较直的熔合线在接近焊管内壁时突兀拐向某一侧，有左甩尾和右甩尾之分，如图9所示为右甩尾。甩尾是由于管坯内圆边缘在焊接过程中因材料缺失未受到或仅受到很小周向力制约，使得管坯内圆的焊接和内毛刺的形成具有 “自然性”:即熔合线靠近内圆部位的形态基本上是由焊接前管坯内圆边缘的状态决定，若管坯右侧内圆边缘被 “啃食”，而左侧边缘形态相对较好，则熔合线就呈现右甩尾；反之，熔合线呈左甩尾。操作者可依据金相图提示查找甩尾原因。

当然，导致S形熔合线的焊管生产工艺较为复杂，除了上面指出的情况外，粗成型立辊收的较紧、导向环磨损严重、挤压力过大、挤压辊孔型跳动、管坯运行波动和摆动等也是重要原因。

此外，纵剪铝管坯边缘一侧形态规整，另一侧参差不齐(图7)，且最不整齐的部位被卷制在管筒内圆，当这两种边缘形态的管坯对焊时，熔合线甩尾就成为必然。

  

图9 熔合线右甩尾 50×

2.1.5 S弯型熔合线

S弯型泛指在一条熔合线上至少有两个拐点弯。在图10所示的一侧待焊管坯对焊面上，既缺上角，又缺下角，更有凹槽和凸棱，而高频电流是沿着这些缺角与凹凸表层的路径和同一深度分布的，与几乎不可能完全相同的另一面对焊时，该路径上各点的焊接温度必然迥异，由此形成的熔合线就不可能直。

（3）恢复护理：患者在治疗时应采取仰卧的姿势，在治理的初期，患者应保持躯体平放，尽量较少不必要的活动，在治疗中期护理人员可以对患者进行适当的按摩，帮助患者快速恢复，在治疗的后期，护理人员可以指导患者进行适当的锻炼活动，但应该适度，避免患者受到二次伤害。

  

图10 缺失与多棱的待焊管坏边缘

2.1.6 熔合线未完全熔合

熔合线未完全熔合也就是俗称的焊缝微裂纹，如图11所示。因工艺条件不同，有时单一地发生在焊缝外侧、焊缝内侧及焊缝中间，有时在焊缝内外侧或中间同时发生。特别是当微裂纹发生在焊缝内外侧时，往往都伴随着图12所示的内外毛刺或开裂或裂缝。不管微裂纹出现在焊缝那个部位，发生机理不外乎焊接线能量不足、挤压力偏低、待焊管坯边缘遭遇了类似图10所示的破坏以及对焊面的对接类型等原因。区别在于若对焊面内角部位缺损较多，对焊面又呈Λ形对接，加之焊接线能量与挤压力不足，则焊缝内侧出现微裂纹的几率就大；反之，焊缝外侧存在微裂纹的几率大。并且，焊缝熔合线中还可能同时夹杂氧化物。

  

图11 焊缝微裂纹形貌

  

图12 内毛刺裂缝和外毛刺开裂

2.1.7 氧化物夹杂

图3（b）中的熔合线间夹杂着一些黑色链状物，由图3（a）的能谱分析证实，谱图1处的黑色链状物氧含量高，而其周边未见O，该黑色链状物就是氧化物。铝焊缝熔合线中夹杂的氧化物可能来源于铝材的冶炼与加工过程（非本文讨论范畴），也可能来源于纵剪铝管坯的边缘和焊接过程。由于Al和O具有很强的亲和力，铝管坯纵剪后在常温下放置数小时，剪切面就会被氧化并生成0.1～0.2 μm厚的高熔点（2 050 ℃）、 大比重（Al的1.4倍） 的Al2O3薄膜，焊接时不仅难熔、难上浮、难挤出，反而易夹杂。而且Al的亲氧性特点在高温焊接时表现得尤为剧烈，如挤压辊和感应圈偏大、感应圈前面距挤压辊较远、开口角过大、潮湿环境等因素都会加剧焊接过程中Al的氧化。此外，挤压力不足既难将焊缝中的氧化物全部挤出，更会影响焊缝金属流线的形态。

2.2 集流管焊缝金属流线金相与生产工艺的映射解读

从大量压扁、试爆、胀管等试验数据看，上簇金属流线顶角在45°～60°，左右比较对称，则焊缝强度高，试爆压力高。反之，那些扁平型、子弹头型、单峰型、一侧非正态型以及高低型金属流线的焊缝强度和试爆压力往往偏低。

2.2.1 扁平型金属流线

在关系到个体生存的“终极问题”面前，“功利主义” “拜金主义”盛行。 大学生群体不可避免的为日常琐事所纠缠而无暇顾其他。 集体和集体主义原则只有在能够助益自身利益的实现时才有可能被想起。 其他情况下，集体和集体主义原则之于他们而言，都是存在着的无。

 

表3 金属流线缺陷与焊管生产工艺缺陷映射表

  

2.2.2 子弹头型金属流线

子弹头型金属流线通常指那些上簇流线顶角小于45°的金属流线，其工艺缺陷恰好与扁平型的相反。

2.2.3 单峰型金属流线

常见单峰型金属流线指在金相图上，上簇金属流线比较清晰，下簇金属流线模糊，甚至看不见，如图13所示，形成单峰型金属流线的原因见表3。

AA3003铝合金熔合线的显著特征是:越接近管内外壁越宽，管壁中间较窄。宽度参数目前没有统一标准，其不仅与焊接热量、焊接功率、焊接速度、焊接挤压力等有关，更与管坯厚度、宽度及径厚比关系密切。图4所示为细腰状熔合线与上、下金属流线簇形貌。大量统计数据分析发现，熔合线平均宽度在0.01～0.05 mm（t=1～3 mm）、 上下熔合线宽度约是中间熔合线宽度1.5倍为宜（见图4中的白色亮线）。熔合线上、下宽和中间窄的机理与热影响区形态的形成类似。

  

图13 单峰一侧非正态型金属流线 50×

2.2.4 一侧非正态型

从图13（a）可以看出，熔合线左侧为正态，右侧为非正态；从图13（b）可以看出，熔合线右侧为正态，左侧为非正态。另外，作为工艺映射的佐证之一，在图13中熔合线到覆层起点的宽度均表现为正态一侧C大于非正态一侧D，这是因为当左挤压辊高于右挤压辊或者焊缝偏向右侧挤压辊时（图13（a）），焊缝左侧就会被固定在同一位置的外毛刺刀多刮掉一些，被多刮掉的既有基板，更有覆层。这一独特的金相表现，只有在外覆铝合金管焊缝不在正中或某一侧挤压辊偏高时才能看到。

2.2.5 交替高低型

交替高低型熔合线指在试样长度范围内且方向一致的样本金相图中，既有左侧为正态一叶而右侧非正态型，又有右侧为正态一叶而左侧非正态型。

3 映射验证

由于论文篇幅的限制，文中所列金相图和对应生产工艺只是本公司质量检测中心数据库中的一小部分。我们根据生产检验中发现问题的焊缝金相图，到映射的生产工艺数据库中查找工艺原因，并依据给出的工艺原因改进集流管生产工艺，结果证明，解决问题的有效率在96%以上。

4 结束语

高频焊覆层铝合金冷凝器集流管在我国的生产历史仅为10年左右，如何准确评价该管的焊缝品质，寻找焊缝品质与生产工艺的映射关系并借助映射关系改进集流管生产工艺，以提高焊缝质量，一直是人们追求的目标。

笔者尝试在不排斥传统检测方法的基础上，借助金相显微技术、能谱分析技术等现代科技手段，对集流管焊缝熔合线、金属流线、夹杂物等进行更加细微、更深层次的观察与分析，获得更详细、更直观和更准确的信息，进而对集流管焊缝品质做出精准判定，同时使反映焊缝状态的金相图、能谱图与生产工艺相互映射，确保生产工艺根据金相图、能谱图反馈的信息进行靶向改进，成效显著。本研究的一些思想和方法不仅适用于铝合金冷凝器集流管，也适用于高频直缝钢管。

参考文献：

梯度气象观测站是一个低层大气综合探测系统，集多层、多参量观测系统于一体，实现一定高度内的风温梯度信号参量的综合自动观测。气象数据为研究大气污染、大气边界层物理提供高质量的观测资料，同时提升公共气象服务能力、提高气象预报预测准确率也起着重要作用。

[1]曹国富，曹笈.高频直缝焊管理论与实践[M].北京:冶金工业出版社，2016.

[2]谢水生，刘静安，徐俊，等.简明铝合金加工手册[M].北京:冶金工业出版社，2016.

[3]曹国富.挤压辊轴仰角的形成机理及改进[J].钢管，2001，30（5）:21-25.

[4]黄旺福，铝及铝合金焊接指南[M].长沙:湖南科学技术出版社，2004.

[5]曹国富.V形区管坯边缘的控制[J].焊管,1993（1）:45-47.

[6]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京:机械工业出版社，2006.

[7]李惠忠.钢铁金相学与热处理常识[M].北京:冶金工业出版社,1975.

（3）在员工对“薪酬激励方式”的满意度评价中，本文依据文献，设计出如下二级评价指标：加薪的激励机制（U231）、经营者持股（U232）、及激励基金等方式（U233）。

[8]曹国富，曹丽珠.冷凝器用铝合金复合高频焊管焊缝泄漏的研究[J].焊管， 2017（10）:44-51.

在拖拉机使用维修过程中，一些非专业操作及容易疏忽的问题常会造成拖拉机的隐患，甚至是严重的损害。了解如下七个诀窍便可远离隐患。

[9]代可香.铝合金的金相分析[J].化工管理,2013（18）：104.

[10]曹国富.定径辊磨损机理及半包容孔型[J].上海金属,1997（3）：18-22.

[11]韩国明.焊接工艺理论与技术[M].北京:机械工业出版社，2007.