銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)及其應(yīng)用

周景春 滕世政 何 柳 項(xiàng) 嶄 蒙永云

0 引言

在目前銅礦資源不足、且銅價(jià)上漲的市場(chǎng)現(xiàn)狀驅(qū)動(dòng)下，以鋁代銅、只在接頭處焊接銅管成為目前銅鋁連接管的主流生產(chǎn)趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外的研究人員一直致力于從各方面嘗試實(shí)現(xiàn)銅鋁等異種金屬材料管路的優(yōu)良焊接。

已知針對(duì)銅鋁異種金屬焊接的方法有電磁脈沖焊接、摩擦焊、復(fù)合塑性流動(dòng)連接方式等，以及近年來(lái)涌現(xiàn)的一些其他的焊接方法如攪拌摩擦焊、高能束焊等，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中或多或少都存在諸如焊接設(shè)備要求高、實(shí)施困難、效率低下和質(zhì)量難以控制等多方面問(wèn)題。

1 銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)原理

基于對(duì)現(xiàn)有銅鋁連接管生產(chǎn)技術(shù)的總結(jié)和改進(jìn)，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行改良并將銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中，公司對(duì)此技術(shù)持有多項(xiàng)相關(guān)專利。本文對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。銅管旋鍛縮口[1]和鋁管斜插預(yù)套后，通電對(duì)銅鋁焊接區(qū)進(jìn)行加熱，使外層金屬原子達(dá)到活躍狀態(tài)，待鋁材表面軟化后使用球形沖桿對(duì)焊接區(qū)施加橫向推進(jìn)壓力[2]，銅、鋁接觸面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦并粉碎銅、鋁管材焊接表面存在的氧化物以及其他雜質(zhì)，并且將其在推進(jìn)過(guò)程中擠出[3]，以此實(shí)現(xiàn)銅鋁管材接觸面的環(huán)狀連續(xù)推進(jìn)焊接。焊接區(qū)原子擴(kuò)散完成后迅速撤去高壓并停止對(duì)結(jié)合面通電，在空氣中進(jìn)行靜置冷卻。從而得到接口處焊接牢固的銅鋁連接管[4]。

1.1 管材連接方式

圖1銅管、鋁管連接示意圖

銅鋁管材焊接處采用斜插的方式進(jìn)行連接，如圖1所示。銅管端部預(yù)設(shè)有旋鍛縮口，在銅管鋁管預(yù)套時(shí)，將銅管旋鍛縮口端頭插入鋁管，同時(shí)在另一端套入沖擊桿（圖2），并放置在夾具設(shè)有的限位槽中定位。便于銅表面層和鋁表面層緊密接觸，縮短原子間距；同時(shí)在擠壓的過(guò)程中便于金屬表面殘留氧化物和雜質(zhì)等的擠出。有研究表明，斜面連接更容易在通電瞬間形成小范圍的高溫受熱區(qū)域；在焊接過(guò)程中，局部的高溫區(qū)隨著金屬沿著斜面滑移，形成焊縫，解決高溫引起的工件失穩(wěn)問(wèn)題[5]。

1.2 沖桿工作方式及工裝

銅管鋁管預(yù)套后放入限位槽中，與沖桿中心線重合，氣泵推動(dòng)沖桿向左推進(jìn)[2]。沖桿端部最大的球節(jié)對(duì)焊接區(qū)施加擠壓，擠出銅表層、鋁表層界面上的氧化物等雜質(zhì)的同時(shí)，縮短銅、鋁表層原子間距，便于形成牢固焊接區(qū)。

目前包含這種結(jié)構(gòu)工裝的生產(chǎn)設(shè)備已投入工廠的日常生產(chǎn)實(shí)踐中。

1.2 能耗

由于沖桿在連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，與管材直接接觸區(qū)域呈圓環(huán)狀，接觸區(qū)域面積小，是以在工作過(guò)程中，電流通過(guò)金屬區(qū)域的面積小，發(fā)熱少，因而生產(chǎn)過(guò)程中能耗低，是以起到一定程度節(jié)省能源的目的。

2 試驗(yàn)

2.1 金相及晶粒度分析

圖3焊接前后晶粒度未發(fā)生明顯變化（a1）銅側(cè)未焊接處；（a2）銅側(cè)焊接處；（b1）鋁側(cè)未焊接處；（b2）鋁側(cè)焊接處

對(duì)銅鋁連接管件成品的部分區(qū)域取樣做晶粒度分析試驗(yàn)所得結(jié)果如圖3所示：a1為銅側(cè)未焊接部位晶粒度，a2為銅側(cè)焊接區(qū)晶粒度，由圖可知應(yīng)用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)得到的銅鋁連接管件其銅側(cè)在焊接前后晶粒度并不發(fā)生明顯變化；b1為鋁側(cè)未焊接部位晶粒度，b2為鋁側(cè)焊接區(qū)晶粒度，由圖可知鋁側(cè)在焊接前后晶粒度同樣未發(fā)生明顯變化。由此可見，應(yīng)用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)焊接銅鋁連接管不會(huì)產(chǎn)生銅鋁管的晶粒度變化問(wèn)題，不會(huì)破壞金屬焊接部位原有的晶粒結(jié)構(gòu)。

圖2沖桿推進(jìn)示意圖

圖4銅鋁焊接界面的電鏡照片

2.2 電鏡圖分析

圖4分別是10μm和1μm尺度下的掃描電鏡圖。圖a中左側(cè)淺色區(qū)域?yàn)殇X，右側(cè)深色區(qū)域是銅。從圖中可見10μm尺度下焊接區(qū)銅鋁之間界線清晰干凈，顯示在銅鋁焊接處并無(wú)共晶組織生成[6]，也無(wú)殘留雜質(zhì)。圖b中在1μm尺度下可見銅鋁焊接區(qū)分界線依舊清晰，未觀察到其他組織結(jié)構(gòu)。由此可證明本文提出的銅鋁快速高壓滲溶焊接不會(huì)因產(chǎn)生大尺寸共晶組織而使銅鋁接頭變脆[7]。

2.3 剝離

設(shè)置沖桿擠壓時(shí)間為變量，從400 ms到1 200 ms等時(shí)間間隔做對(duì)比試驗(yàn)，沖桿擠壓時(shí)間分別取400 ms、680 ms、800 ms、1 000 ms、1 200 ms情況下進(jìn)行銅鋁快速高壓滲溶焊接試驗(yàn)。分別對(duì)銅鋁連接管接頭部分進(jìn)行剝離和反剝離，試驗(yàn)結(jié)果如圖。在試驗(yàn)中測(cè)得800 ms焊縫長(zhǎng)度達(dá)5 mm。

圖5銅鋁連接管接頭剝離

2.4 鹽霧及爆破

將銅鋁連接管成品剝?nèi)峥s套層進(jìn)行鹽霧耐蝕試驗(yàn)500 h后，再進(jìn)行爆破。在10.9 MPa以上壓強(qiáng)下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示爆破點(diǎn)均不在接口處。

圖6銅鋁連接管爆破試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，使用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)焊接的銅鋁連接管，焊接接頭不易剝離、牢固焊接面積相比普通電阻焊有所擴(kuò)大，而機(jī)械性能和純銅管相比并無(wú)太大退化；在生產(chǎn)實(shí)踐中，采用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術(shù)有效減少能耗。