CN101382215A - 一种带硬质套管的铜铝连接管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带硬质套管的铜铝连接管及其制备方法。铜管的焊接接头部位有带直管状导向部的锥形焊接面，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，铜铝连接管的外壁套有一小段硬质套管。硬质套管在使用过程中可以防止对接头弯曲造成的铝管开裂，防止套管内的铝管或铜铝焊接接头折断。硬质套管可以杜绝焊接接头脱落，以及接头附近的铝管开裂等重大故障的发生，并能防止焊接接头外部飞溅物的产生，简化工艺，缓解薄壁铜管在轴向受到高压后发生的失稳变形程度，增加了无共晶组织焊缝的长度，尤其适用于薄壁铝管、薄壁铜管的焊接。

Description

一种带硬质套管的铜铝连接管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属连接管，尤其是铜铝连接管。

本发明还涉及上述铜铝连接管的制备方法。

背景技术

近几年，由于铜价在不断上扬，促进了铝材代替铜材技术进步和相关产业的市场应用范围。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完全替代，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，则由于连接性能与铜管相同，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，并在铜铝两种材质之间产生铜铝共晶组织过渡层。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铜铝共晶合金。

对薄壁铜铝管焊接目前已知的各种焊接方法中，如果采用铜管插入到铝管中的套接接头，如何避免焊缝中产生铜铝共晶组织是关键技术，以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的薄壁铜铝管焊接。铜管插入到铝管中的套接接头适合薄壁铜铝管焊接，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；采用电阻压力复合焊接方法后，铜铝接头抗弯曲性能明显不足，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带硬质套管的铜铝连接管。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种生产前述带硬质套管的铜铝连接管的制备方法。

对于本发明的带硬质套管的铜铝连接管来说，上述问题是这样解决的：铜管的焊接接头部位有带直管状导向部的锥形焊接面，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，焊缝中无铜铝共晶组织，铜铝连接管的外壁套有一小段硬质套管。

对于上述带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，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中，用高压气缸固定铜管，将套有硬质套管的铝管放置在固定电极中并用气缸固定铝管，在固定电极组铝管的焊接位置上安装有镶嵌块，镶嵌块内腔形状与硬质套管外形相吻合，用高耐热性且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0.2秒自动调整一次电流、电压、气压等参数，控制铜铝焊缝的温度。断电后，继续推进金属芯棒，对锥形焊接面的之前端直管部位进行扩口。

上述方法具备如下有益效果：

1、硬质套管在生产中的作用：硬质套管限制了铜管推进到铝管过程中铝管的膨胀趋势，有利于将焊缝中产生的铜铝共晶组织从焊缝中挤出。保护高温下的铜管不会发生失稳变形；在电阻热的作用下，焊接接头上的铝管迅速熔化，熔融的铝液填充在硬质套管与铝管之间的缝隙中，因此不会产生飞溅。可以杜绝焊接接头脱落，以及接头附近的铝管开裂等重大故障的发生，并能防止焊接接头外部飞溅物的产生，简化工艺，缓解薄壁铜管在轴向受到高压后发生的失稳变形程度，增加了无共晶组织焊缝的长度。

2、硬质套管在使用过程中可以防止对接头弯曲造成的铝管开裂，防止套管内的铝管或铜铝焊接接头折断。

3、在铜管焊接部位的收口端预设的金属芯棒有以下作用，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。芯棒以选高硬度金属材料为宜。

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

该硬质套管可以选用金属薄壁管，如硬质铝管。当选用导热系数较低、电阻系数较大的金属材料，以及非金属硬质管材作为套管材料时，该套管可以起到陶瓷镶嵌块的作用，固定电极上的陶瓷镶嵌块可以取消。

考虑到焊接效果，上述硬质套管与铝管之间的装配关系采取紧配合，硬质套管上可设定位装置，防止硬质套管在焊接过程中移位。

硬质套管可以根据其用途，布置在不同的位置：用于防止焊接外部飞溅以及防止焊接接头上铜管脱落时，其位置应以焊缝为中心，长度不小于5mm；用于防止薄壁铜管焊接过程中的失稳和变形，其位置应覆盖在接头铜管侧，长度不小于7mm；用于防止焊缝区域铝管在弯曲时开裂，其位置应覆盖在接头铝管侧，其长度不小于10mm；用于防止焊接外部飞溅、焊接接头上铜管脱落、薄壁铜管焊接过程中的失稳和变形、以及防止焊缝区域铝管在弯曲时开裂，其位置应覆盖全部锥形焊接面焊接接头及邻近区域，其长度不小于17cm。

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或防锈铝管。

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。

在焊接前将移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。

附图说明

图1为焊接接头带有硬质套管的铜铝连接管图

图2硬质套管用于防止焊接外部飞溅以及铜管脱落

图3硬质套管用于防止铜管焊接过程中的失稳和变形

图4硬质套管用于防止焊缝区域铝管在弯曲时开裂

图5硬质套管用于对接头全面防护的示意图

图6带有硬质套管铜铝管焊接前装配示意图

图7带有硬质套管铜铝管焊接过程示意图

图中标记说明：

金属芯棒1、铜管2、移动电极3、硬质套管4、固定电极5、带直管状导向部的锥形焊接面6、镶嵌块7、铝管8、金属芯棒移动方向F

具体实施方式

具体实施例1：

根据管路长度设计要求，选取管外径相同的铜管和铝管进行初加工，得到短铜管2和一根铝管8。首先将铜管管端的焊接部位加工成前端有直管状锥形焊接面6，为便于铜管2插入铝管8中，锥形焊接面6之前端直管状的外径应略小于铝管内径。铝管8的直径和壁厚保持不变。

焊接前，将一段其内径和铝管外径的配合间隙为-0.1～0.1mm、长为5-100mm的硬质套管4固定在铝管8管端上。硬质套管4套在铝管8上的长度2.5～90mm，硬质套管4的伸出部分用于保护铜管和焊缝，焊接前铝管8管端上的硬质套管4的装配位置应保持一致性，位置误差应小于0.5mm，为此，可以在硬质套管上设计定位凸点、定位台阶，以便焊接前对铝管和硬质套管的相对位置进行定位。

参考图2～5硬质套管4可以根据其用途，布置在不同的位置：用于防止焊接外部飞溅以及防止焊接接头上铜管2脱落时，其位置应以焊缝为中心见图2，长度不小于5mm；用于防止薄壁铜管2焊接过程中的失稳和变形，其位置应覆盖在接头铜管2侧见图3，长度不小于7mm；用于防止焊缝区域铝管在弯曲时开裂，其位置应覆盖在接头铝管8侧见图4，其长度不小于10mm；用于防止焊缝外部飞溅、焊接接头上铜管2脱落、薄壁铜管2焊接过程中的失稳和变形、增加挤出铜铝共晶组织的力量、以及防止焊缝区域铝管8在弯曲时开裂，其位置应覆盖整个焊缝见图5且其长度不小于17mm。

参照图6～图7，说明本发明的焊接过程：

见图6，在铜管的内部事先放入一根金属芯棒1，铜管2连同金属芯棒1置于内压式电阻压力焊接机移动电极3上；铝管8端口不做进一步的加工，保持壁厚和直径原状，在铝管8的端口上预置一小段硬质套管4，预置了硬质套管4的铝管8置于内压式电阻压力焊接机的固定电极5上。在固定电极5上镶嵌有硬质陶瓷镶嵌块7，以降低导热系数、提高电阻系数，规范焊接电流的流动路径。通过电阻压力焊接机将移动电极3及其电极上的铜管2水平移动插入铝管8中。在插接过程中，硬质铜管焊接锥形面将软质的铝管内壁上的氧化层磨削掉的同时对电极通电，在电阻热的作用下，铝管迅速熔化，内部熔化的铝液填到铜管2和铝管8中间，外部熔化的铝液填充到铝管8与硬质套管4的间隙中，使飞溅的铝液不影响焊缝的内外质量，锥形焊接面6与铝管内壁间形成焊缝，同时硬质套管4被固定在焊缝上，直至铜管2的锥形焊接面6包进到铝管8中后断开焊接电源。焊接设备推进金属芯棒1，对锥形焊接面6之前端直管部位进行扩口，抽出金属芯棒1完成铜管与铝管的焊接。

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 (15)

1、一种带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于铜管的焊接接头部位有带直管状导向部的锥形焊接面，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，铜铝连接管的外壁套有一小段硬质套管。

2、如权利要求1所述带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于硬质套管覆盖全部锥形焊接面，且长度不小于17cm。

3、如权利要求1或2所述任一带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于硬质套管为金属薄壁管。

4、如权利要求1或2所述的任一带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于硬质套管为不锈钢薄壁管或硬质铜薄壁管。

5、如权利要求1或2所述的任一带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于硬质套管为陶瓷薄壁管。

6、如权利要求1至权利要求6所述的任一带硬质套管的铜铝连接管，其特征在于硬质套管上有定位装置。

7、如权利要求6所述的带硬质套管的铜铝连接管，其特征在所述定位装置为定位凸点或定位台阶。

8、如权利要求1所述的带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于取铜管、铝管各一根，将铜管一端加工出带直管状导向部的锥形焊接面，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中，用高压气缸固定铜管，将套有硬质套管的铝管放置在固定电极中并用气缸固定铝管，在固定电极铝管的焊接位置上安装有镶嵌块，镶嵌块内腔形状与硬质套管外形相吻合，镶嵌块用高耐热性且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0.2秒自动调整一次电流、电压、气压等参数，控制铜铝焊缝的温度，断电后，继续推进金属芯棒1，对锥形焊接面的之前端直管部位进行扩口。

9、如权利要求8所述带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于硬质套管覆盖全部锥形焊接面，其长度不小于17cm。

10、如权利要求8或9所述任一带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述硬质套管为金属薄壁管。

11、如权利要求8或9所述的任一带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述硬质套管为不锈钢薄壁管或硬质铜薄壁管。

12、如权利要求8或9所述的任一带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述硬质套管为陶瓷薄壁管。

13、如权利要求8或9所述的任一带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述硬质套管上有定位装置。

14、如权利要求13所述的带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述定位装置为定位凸点或定位台阶。

15、如权利要求8或9所述的任一带硬质套管的铜铝连接管的制备方法，其特征在于所述硬质套管的材料为导热系数较低、电阻系数较大的金属材料或非金属硬质材料，固定电极上不设镶嵌块。

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