CN100445625C - 无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法及焊接接头 - Google Patents

无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法及焊接接头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法及用该方法生产的焊接接头。该接头的特征是铝管刻有凸形字。该接头的焊接方法的特征是在铜管焊接部位的收口端内部预设一个金属芯棒，在固定电极组的相应位置上安装有镶嵌块，焊接时顶推气缸将带有铜管的移动电极组推向铝管，同时通电对铜铝结合区进行电阻加热，铜管在顶推气缸的作用下不断向铝管内部移动，断电冷却后，将金属芯棒抽出。用本发明焊接的铜铝接头具有铜铝接头间形成直接的化学键连接，焊缝中无铜铝共晶组织，焊缝强度高、密封性好的特点，适宜在制冷行业大规模使用。

Description

无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法及焊接接头
技术领域
本发明涉及一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的生产方法，尤其是插接式铜铝管焊接接头的生产方法。
本发明还涉及用该方法生产的无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头。
背景技术
我国是铜资源相对短缺，铝资源相对丰富的国家，目前制冷行业大量使用铜管，铜改铝降低制造成本已成为十分重要的课题。但制冷行业涉及的铜管壁厚多数在1.0mm以下；由于铜管在制冷管路生产加工方面的特殊优势难以被铝管替代，全部采用铝管代替铜管会带来诸多问题。而中间是铝两端是铜的铜铝铜结构管路完全可以代替铜管。
铜管与铝管熔点相差约400℃，又因为铝管内表面布有氧化层，在薄壁铜铝管焊接中，两种材质难以实现两种金属原子间的直接化学键连接，而产生铜铝共晶组织。本说明书所提及的共晶组织是指高温下铜铝金属化合物与铝形成的低熔点共晶合金。目前插接式铜铝管焊接接头焊缝中都存在共晶组织。国外某些采用高频加热的插接式铜铝焊接方法的发明中，焊缝中铜铝共晶组织的厚度在10μm以内，并认为焊缝由铜铝共晶组织构成是可以接受的。但实践证明这种铜铝管焊接接头由于存在铜铝共晶组织，剥离强度非常小，使用中容易发生裂纹，因此上述发明往往难以付诸实用。
对薄壁铜铝管焊接目前已知的各种焊接方法均无法完全避免焊缝中产生铜铝共晶组织，无法获得化学键连接的焊缝组织。平面对接接头贮能焊和摩擦焊等方法虽然可以通过焊接结束前的顶端力减少铜铝管焊缝的共晶组织，但其接头结构决定了该工艺只能适合壁厚大于1.25mm的厚壁铜铝管的焊接，不能用于本发明所涉及到的薄壁铜铝管焊接。插接式铜铝管接头焊接方法虽然适合薄壁铜铝管焊接，但如果采用高频焊、钎焊方法焊接，由于存在反应性气孔、铜铝共晶组织、潜在的腐蚀隐患等不利因素，不能实现铜铝化学键结合，实现批量生产难度也很大。这些技术缺陷都阻碍了铝管在制冷行业的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铜铝管焊缝中无铜铝共晶组织的插接式薄壁铜铝管焊接接头的生产方法。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种用上述生产方法制备的薄壁铜铝管焊接接头。
对于本发明的无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头来说，上述问题是这样解决的：铜管的焊接接头部位有直管状导向部和锥形焊接面，该导向部的外径稍小于铝管内径，铜管锥形焊接面与铝管内壁之间形成直接的化学键连接，焊缝中无共晶组织，铝管上刻有凸形字。
本发明利用冷压焊和电阻加热的原理，发明了一种全新的焊接方法。上述问题是这样解决的：取铜管、铝管各一根，将铜管一端作收口处理，在铜管焊接部位的收口端内部预设一个金属芯棒，该芯棒的外形与收口处理后铜管的内部形状相吻合，将铜管放置在可移动电极组中，用高压气缸固定铜管，将铝管放置在固定电极组中用高压气缸固定铝管，在固定电极组铝管的焊接位置上安装有镶嵌块，镶嵌块内腔形状与铝管外形相吻合，用高耐热性以及低传热效率的材料制作。焊接时将铝管端部与镶嵌块边缘齐平，顶推气缸将带有铜管的移动电极组推向铝管，压力控制在150kg～250kg为宜，同时通电对铜铝结合区进行电阻加热，铜管在顶推气缸的作用下不断向铝管内部移动，在移动过程中，铜管的推进压力和焊接电流每隔1～2mm自动调整一次电流、电压、气压等参数，控制铜铝焊缝的温度。断电冷却后，将金属芯棒抽出。
上述方法具备如下特点：1、在铜管焊接部位的收口端预设的金属芯棒有三个作用，在焊接过程中支撑铜管，防止铜管在高压下失稳；吸收热量防止铜管温度过高在焊缝中产生铜铝共晶组织；在芯棒的支撑作用下，铜管在向铝管内部推进的过程中将铜铝共晶组织从焊缝中挤出，以选紫铜芯棒为宜。2、利用铜铝两种材料在硬度上的差异，即利用铜管插入铝管时的高压作用，将铝管内表面的氧化物清理干净，从而避免使用任何助剂；3、在清理铝管氧化物的同时通电对结合区进行电阻加热，边加压边加热，减少铜铝共晶组织的生成量、防止铜管变形，产生的铜铝共晶组织也被铜铝间的高压挤出，提高了接头的综合性能；4、接头处的铝管在高压、电阻热的合成作用下，形成铜管外表面上的重熔铝金属，形成熔合面积大的插接式铜铝管焊接接头结构；5、在400倍显微镜下观察，在接头的铝管侧形成了没有铜铝共晶组织的铜铝焊缝，焊缝中铜铝之间形成的是化学键连接。
铜铝焊接中，需要控制铝管侧的热输入量，以求铜铝焊接区域的温度分布符合焊接要求，本发明的方案是将焊缝铝管侧电极的导电系数降低，分散铝管侧的电流密度，从而降低热输入量，为了降低电极的导电系数，我们选择在铜电极上镶嵌耐热、抗高温、抗铝管点蚀材料的方法。
焊后抽检铜铝共晶组织，将焊缝沿轴向4等份割开，均匀扯动铝管，具有铜铝共晶组织的焊缝铜铝之间脆性大很容易剥离开。没有铜铝共晶组织，铜铝之间形成化学键连接的焊缝可以保持熔合状态原状，本发明方法用游标卡尺测量焊缝中没有铜铝共晶组织的焊缝长度超过3mm。
为获得更好的焊接质量，铜管可以选用紫铜管，铝管可以选用纯铝管。
在接近熔化铝管的温度范围内，焊接温度越高，高温持续时间越长，产生的铜铝共晶组织越厚，在焊接前将塞入金属芯棒的铜管浸入冷却液，然后焊接，能进一步提高金属芯棒的冷却效果，减少铜铝共晶组织含量。
在焊接前将活动电极放到液氮中急冷，冷透后取出，能提高电极的冷却效果，减少铜铝共晶组织含量。
可以在每个焊接接头上作质量跟踪标记，即在电极镶嵌块上刻凹形字，这样焊接后在接头铝管表面上将形成凸形字，便于质量跟踪。
附图说明
图1焊接示意图
图2无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头
其中1、铝管  2、固定电极  3、镶嵌块  4、活动电极组  5、金属芯棒6、铜管  7、锥形焊接面  8、凸形字  9、直管状导向部。
具体实施方式
参照图1，取管径相同的紫铜管、纯铝管各一根，将铜管6一端作收口处理，收口部位单边角度7～8°(锥度14～16°)，在铜管焊接部位的收口端内部预设一个紫铜芯棒5，该芯棒5的外形与收口处理后铜管的内部形状相吻合(焊接后抽出)。铝管1保持原状，将铜管6放置在可移动电极组4中，用高压气缸固定铜管6，将铝管1放置在固定电极组2中用高压气缸固定铝管1，为提高电极的抗孔蚀能力，铝管焊缝部位需要良好的机械强度。在固定电极组2的相应位置上镶嵌有用高耐热性以及低传热效率的材料如钛合金、陶瓷制作的镶嵌块3，本实施例选用钛合金镶嵌块，其内腔形状与铝管外形相吻合。焊接时将铝管端部与钛合金镶块3边缘齐平，助推气缸将带有铜管的移动电极组4推向铝管1(压力控制在150kg～250kg)，利用铜铝两种材料在硬度上的差异，借助于铜管6插入铝管1时的高压作用，将铝管1内表面的氧化物清理干净，同时通电对锥形焊接面7进行电阻加热，边加压边加热，铜管6在这个过程中不断向铝管1内部移动，焊接过程工件位移距离超过5mm，产生的铜铝化合物(共晶组织)被高压挤出，避免脆性组织对接头的影响，铝管在高压、电阻热的合成作用下熔化，由于钛合金镶嵌块3的作用，高温状态的铝管按照钛合金模腔形状被强制塑性变形，形成一种贴附在铜管外表面上的重熔铝金属，铜铝焊缝表面没有沟槽，没有凸起变形，形成大面积熔合的插接式铜铝管焊接接头。
图2为无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头，其直管状导向部9的外径稍小于铝管内径，在接头的锥形焊接面7附近形成了没有铜铝共晶组织的铜铝焊缝，长度超过3mm，该区域焊缝中铜铝之间形成的是化学键连接。在电极镶嵌块3上刻有凹形字，这样焊接后在接头铝管表面上将形成凸形字8，便于质量跟踪。
焊后可以采用金相分析的方法检查焊缝组织成分，也可以采用以下简易方式抽检铜铝化合物(共晶组织)分布区域：以铜铝接头外表面焊缝为基准，铝管保留20mm，铜管保留50mm切下。用台钳固定铜管，铝管在上，铜管在下，在铝管端面按4等份划线，用锯割开，割至焊缝以下2mm，扶着割开的铜管，用尖嘴钳缓慢、均匀用力扯动铝管，具有铜铝共晶组织的焊缝铜铝之间脆性大很容易撕开，没有铜铝共晶组织的焊缝撕不开，焊缝可以保持原状。
本发明参照附图和实施例进行说明，但保护范围不限于此，在本发明技术范围内具有普通技术人员可以经过简单的变换，而获得本发明同样的技术效果，同样在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1、一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于取铜管、铝管各一根，将铜管一端作收口处理，在铜管焊接部位的收口端内部预设一个金属芯棒，将铜管放置在可移动电极组中，用高压气缸固定铜管，将铝管放置在固定电极组中用高压气缸固定铝管，在固定电极组的相应位置上安装有镶嵌块，镶嵌块由高耐热性以及低传热效率的材料制作，镶嵌块内腔形状与铝管外形相吻合，焊接时将铝管端部与镶嵌块边缘齐平，顶推气缸将带有铜管的移动电极组推向铝管，同时通电对铜铝结合区进行电阻加热，铜管在顶推气缸的作用下不断向铝管内部移动，在移动过程中，铜管的推进压力和焊接电流每隔1～2mm自动调整一次参数，控制铜铝焊缝的温度，断电冷却后，将金属芯棒抽出。
2、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于所述的铜管为紫铜管，铝管为纯铝管。
3、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于所述的金属芯棒为紫铜芯棒。
4、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于所述的镶嵌块为钛合金镶嵌块。
5、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于在焊接前将塞入金属芯棒的铜管浸入冷却液充分冷却后，再取出焊接。
6、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于在焊接前将活动电极放到液氮中急冷，充分冷却，取出后再焊接。
7、如权利要求1所述的一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法，其特征在于所述镶嵌块上有刻有凹形字。
8、一种如权利要求7所述的无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法生产的焊接接头，由铜管、铝管构成，铜管的焊接接头部位有直管状导向部和锥形焊接面，该导向部的外径稍小于铝管内径，铜管锥形焊接面与铝管内壁之间形成直接的化学键连接，其特征在于铝管上刻有凸形字。
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可编程控制器（PLC）在铜铝管焊接中的应用. 张希川，李启东，郭全英，姚洪军.沈阳工业大学学报，第27卷第2期. 2005
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微机控制型插入式铜-铝管对焊机的研制. 安振之，张希川，刘中仁，杨洪兵.沈阳工业大学学报，第20卷第增刊期. 1998
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薄壁紫铜管与不锈钢管的氩弧焊. 秦旭东.航空制造技术，第3期. 1993
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