銅-鋁的摩擦焊接工藝

關(guān)鍵詞：銅-鋁焊接；電力；摩擦焊；焊接工藝

    1．銅-鋁高溫摩擦焊

焊前先將銅件前端加工成錐角，銅、鋁焊接表面用銼刀清理干凈。在焊接過程中為了防止鋁在接頭處變形流失，以及鋁、銅試件由于受壓失去穩(wěn)定而產(chǎn)生彎曲變形，采用模子對銅、鋁進(jìn)行封閉加壓。其焊接工藝規(guī)范如表1。

表1   銅-鋁高溫摩擦焊工藝規(guī)范

采用表1中的工藝規(guī)范焊接的接頭，在靜載拉伸時(shí)大多數(shù)都斷于鋁母材，并可以彎曲成180°角。這種接頭成功地用于變電站戶外多股設(shè)備銅端子和鋁導(dǎo)線的連接。大型高溫電爐的銅母線的面積為250×20=5000 mm²，鋁母線的面積為250×30=7500 mm²。采用8個(gè)直徑為30mm的銅-鋁摩擦焊接頭并聯(lián)，做為過渡段，再用碳弧焊連接兩頭的銅-銅和鋁-鋁接頭。這種摩擦焊-碳弧焊的大型銅-鋁母線接頭，在高溫及冷卻水的噴澆和腐蝕性物質(zhì)的作用下，使用壽命超過了十年，比原來銅-鋁碳弧焊接頭的壽命（三個(gè)月）提高了四十多倍。

銅-鋁高溫摩擦焊接頭，經(jīng)得起靜載的彎曲、拉伸試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行的考驗(yàn)。但是，在生產(chǎn)實(shí)踐中，還要求銅-鋁接頭能經(jīng)得起反復(fù)彎曲、沖壓和鍛壓試驗(yàn)。為了擴(kuò)大銅-鋁摩擦焊的應(yīng)用，常常要求把圓斷面接頭鍛壓成各種所需要的形狀和尺寸，因此接頭的鍛壓性能是非常重要的?？墒窃谶M(jìn)行新的試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有接頭脆斷。

由銅-鋁系平衡圖指出，當(dāng)銅中含鋁量超過9.4%，和鋁中含銅量超過5.9%時(shí)，由于其中含有大量的金屬化合物（Cu9Al4,CuAl2等）而使合金變脆。銅-鋁接頭的脆斷，主要是由于加熱溫度過高和加熱時(shí)間過長，在接頭中產(chǎn)生銅-鋁脆性合金層所引起的。

按銅-鋁摩擦焊接頭脆斷的特點(diǎn)，其原因分析如下：

在銅-鋁摩接頭的摩擦加熱過程中，高速摩擦塑性變形層最初在銅-鋁摩擦表面，以后過渡到鋁材的內(nèi)部，形成鋁-鋁的摩擦。表1中所用的焊接工藝規(guī)范，都可能使摩擦焊接表面的溫度超過銅-鋁共晶點(diǎn)548℃，達(dá)到鋁的熔點(diǎn)660℃。這樣的高溫使接頭中形成了大量的脆性組織，使接頭產(chǎn)生脆斷。

銅-鋁高溫摩擦焊是產(chǎn)生銅-鋁脆性合金的根源，想要消除脆性合金層，要求必須改變焊接工藝。

2．銅-鋁低溫摩擦焊

低溫摩擦焊工藝的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，摩擦壓力大，摩擦?xí)r間達(dá)到穩(wěn)定摩擦階段，頂鍛壓力大。為了增大后峰值摩擦扭矩、增加接頭的變形量，用以破壞摩擦表面上的脆性合金薄層和氧化薄膜，摩擦加熱結(jié)束主軸停車時(shí)通常不制動(dòng)。焊前銅件前端無錐角。為了提高材料的塑性和改善焊接質(zhì)量，焊前要對銅、鋁進(jìn)行退火，并仔細(xì)清理焊接表面上的油污和氧化膜。

接頭直徑Φ6～40mm的銅-鋁低溫摩擦焊接工藝規(guī)范見表2。試驗(yàn)證明，銅-鋁低溫摩擦焊接表面的溫度低于548℃（共晶點(diǎn)），被控制在460℃~480℃附近。同時(shí)保證了銅-鋁焊接表面充分的塑性變形。在銅-鋁低溫摩擦焊接頭中沒有脆性合金層，接頭金屬充分的塑性變形促進(jìn)了銅-鋁原子的擴(kuò)散，提高了接頭的焊接質(zhì)量。

表2  銅-鋁低溫摩擦焊工藝規(guī)范

通過大量的試驗(yàn)證明，接頭的機(jī)械性能和鍛壓性能十分良好。直徑為10mm接頭焊后的機(jī)械性能（試件1），焊后冷壓變形量達(dá)50%以后的機(jī)械性能（試件2），為滿足接頭安裝時(shí)焊接加熱的需要，焊后經(jīng)冷壓再加熱200℃、保溫10min后的機(jī)械性能（試件3）見表3。接頭的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果和老化試驗(yàn)結(jié)果也都十分良好。為了防止接頭在高溫下工作產(chǎn)生脆性合金層，長期的工作溫度不能超過200℃。

表3  銅-鋁低溫摩擦焊接頭（Φ10mm）的機(jī)械性能

   3．摩擦焊接表面溫度

   摩擦焊接表面溫度就是摩擦焊熱源的溫度，將直接影響接頭的加熱溫度和溫度分布，影響接頭金屬的變形和擴(kuò)散。在摩擦加熱過程中，摩擦表面還能通過對摩擦系數(shù)的影響而調(diào)整摩擦加熱功率，使加熱功率和熱源的溫度處于平衡狀態(tài)。

焊接試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)工件直徑增大，轉(zhuǎn)數(shù)增高，摩擦壓力增大時(shí)，摩擦焊接表面的溫度升高。否則摩擦焊接表面的溫度降低?？墒牵徽撃Σ翖l件作何種變化，同種金屬焊接時(shí)，摩擦焊接表面的最高溫度，不超過被焊金屬的熔點(diǎn)；異種金屬焊接時(shí)，摩擦焊接表面的溫度，不超過低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)。焊接銅-鋁時(shí)，摩擦焊熱源的溫度低于或等于鋁的熔點(diǎn)（660℃），見表4。

表4  銅-鋁摩擦焊接表面（熱源）的溫度

4．用鋁代銅，最關(guān)鍵的技術(shù)就是銅鋁的接焊問題

銅的熔點(diǎn)是1083攝氏度，鋁的熔點(diǎn)是660攝氏度，這相差400多攝氏度的熔點(diǎn)，形成的結(jié)果就是鋁化了，銅可能還只是發(fā)軟。更困難的是，鋁還會(huì)天然地在表面生成氧化膜，由于制冷管路有潔凈度要求，這層氧化膜不能用添加助劑的方法清除，也很難用物理方法清除，而這層氧化膜的熔點(diǎn)又達(dá)2000攝氏度，這三個(gè)不同的熔點(diǎn)，致使銅鋁焊接極易形成虛焊甚至焊不上。以前，采用一些特種焊接方法，如電阻焊、擴(kuò)散焊、儲(chǔ)能焊、閃光焊等方法，通過施加焊接助劑，也可以實(shí)現(xiàn)銅-鋁焊接，但這些方法由于成本高、工藝復(fù)雜、合格率低，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

銅-鋁摩擦焊的發(fā)明、制造，實(shí)現(xiàn)了銅、鋁焊接。同時(shí)，銅-鋁摩擦焊工藝具有焊接質(zhì)量好、效率高、穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、省材等優(yōu)點(diǎn)，且易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和流水線，操作簡單，容易掌握和維護(hù)。因此，用摩擦焊代替了原來的焊接方法，并在各大企業(yè)投入使用，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果相當(dāng)好。

參考文獻(xiàn)：

1．寧裴章，才蔭先，《摩擦焊》，機(jī)械工業(yè)出版社，1983

2．杜隨更，摩擦焊接工藝新進(jìn)展，《焊接技術(shù)》，2000

3．銅鋁焊接技術(shù)難題攻克，網(wǎng)上