CN101954539A - 铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺 - Google Patents

Abstract

一种铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，包括以下步骤：第一步，焊接前对铜材进行热处理：将铜材放置在加热炉中，缓慢升温到T1，保温t1分钟后，铜材随加热炉自然冷却至常温，其中，T1的温度范围为160～-220℃，t1的时间范围是3～120分钟；第二步，焊接前对铝合金材进行热处理：将铝合金材放置在加热炉中，缓慢升温到T2，保温t2分钟后，铝合金材随加热炉自然冷却至常温，其中，T2的温度范围为160～240℃，t2的时间范围是120分钟～720分钟；第三步，对要进行焊接的铜材及铝合金材的端口进行切削，除去表面的氧化膜及油污。本发明具有操作灵活、制作成本低、适用范围广的特点。

Description

铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺。

背景技术

目前在冰箱及空调的制冷剂连接管上，采用电阻焊方式焊接的铜与纯铝或铝锰系列的铝合金得到的铜铝接头已经得到了成功应用。但是，对于空调的热交换器来说，由于制冷剂连接管与空调压缩机相连，振动较大，如果使用纯铝或铝锰系列的铝合金的话，由于铝管的抗拉强度较低，在运输及使用过程中，在铜铝接头的铝侧容易发生断裂或开裂，从而带来严重的质量隐患。铜铝接头的铝侧是指铜铝接头位于铝合金的一侧。

为了提高铜铝接头的铝侧的抗拉强度，可以采用含有镁和硅的铝合金，但是即使是采用了含有镁和硅的铝合金，其抗拉强度也远远低于铜的抗拉强度，在摩擦焊过程进行摩擦或顶锻力比较大时，会使铜铝接头的铝侧因受力发生严重变形，无法与铜材对接而焊接在一起。若减小顶锻力，则无法将摩擦受热过程中生产的金属间化合物顺利挤出而获得有着足够抗拉强度的焊接接头。因此，提高铝合金的抗拉强度，并缩小铝合金和铜材之间的抗拉强度差值，是解决铝合金和铜材摩擦焊可靠焊接的关键。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种操作灵活、制作成本低、焊接质量好、适用范围广的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是包括以下步骤：

第一步，焊接前对铜材进行热处理：将铜材放置在加热炉中，缓慢升温到T1，保温t1分钟后，铜材随加热炉自然冷却至常温，其中，T1的温度范围为160～-220℃，t1的时间范围是3～120分钟；

第二步，焊接前对铝合金材进行热处理：将铝合金材放置在加热炉中，缓慢升温到T2，保温t2分钟后，铝合金材随加热炉自然冷却至常温，其中，T2的温度范围为160～240℃，t2的时间范围是120分钟～720分钟；

第三步，对要进行焊接的铜材及铝合金材的端口进行切削，除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度为5～20μm；

第四步，使铜材和铝合金材处于同一轴线上，采用摩擦焊接的方法，使这两种材料的接触处对接焊在一起，铜材和铝合金材的结合面形成焊接接头。

所述铜材为纯铜、无氧铜或者磷脱氧铜；所述铝合金材为含硅量0.1～4.0％(wt％，下同)，含镁量0.2～6.0％的铝合金。

所述铝合金为六系铝合金。

还包括第五步，在焊接后对焊接接头进行热处理：将焊接接头放置在加热炉中，缓慢升温到T3，保温t3分钟后，焊接接头随加热炉自然冷却至常温，其中，T3的温度范围为120～150℃，t3的时间范围是10～150分钟。

所述铜材和铝合金材为管材或棒材，当铜材和铝合金材为管材时，铜材和铝合金材的外径与壁厚相等。

所述缓慢升温是指每分钟温度升高10度。

所述加热炉的内部充满惰性气体。惰性气体为干燥的氮气。

本发明通过对焊接前的铜材和铝合金材进行热处理，对焊接形成的焊接接头进行热处理，从而提高铝合金材在焊接前的抗拉强度，同时降低铜材的抗拉强度，使得铜材和铝合金材的抗拉强度尽量匹配，保证摩擦焊接得到的焊接接头的结合处有足够的抗拉强度，避免出现虚焊、漏焊等焊接缺陷，提高焊接质量。而对焊接后的焊接接头进行热处理，可以使其结合处的抗拉强度进一步提高，杜绝质量隐患。

本发明具有操作灵活、制作成本低、适用范围广的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例结构示意图。

图中：1为铜材，2为铝合金材，3为焊接接头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

在工业生产中，通过把硅和镁熔融到纯铝中而形成含硅镁的铝合金，通常情况下，硅的含量为0.1～4.0％(wt％，下同)，镁的含量为0.2～6.0％，也包括其他需要调节铝合金性能而添加的金属成分，主要成分为铝材，而按照这种配方冶炼的铝合金都能按照本发明揭露的工艺，实现满足焊接抗拉强度要求的摩擦焊产品。其中，最常用的作为国家标准采用的是硅的含量为0.2～1.7％，镁的含量为0.35～1.2％的六系铝合金。六系铝合金为冶金专业的术语，六系铝合金与其他系的铝合金相比含有较多的硅和镁，如编号为6061、6063的六系铝合金。

众所周知，摩擦焊接工艺适用于焊接的两个部件的接触表面中，至少一个部件可以旋转，因此这种工艺既可以适用于同管径且等壁厚的管材的对焊，也可以适用于平面之间的焊接，如板材之间的焊接。在本发明的实施例中，是以管材之间的焊接为例，但是本领域的技术人员可以很容易地联想到本发明披露的技术同样可以应用于平面之间的焊接。

第一实施例

参见图1，纯铜管与6061的六系铝合金管的摩擦焊接工艺，包括以下步骤：

第一步，焊接前对纯铜管进行热处理：将纯铜管放置在加热炉中，缓慢升温到180℃，保温3分钟后，纯铜管随加热炉自然冷却至常温；

第二步，焊接前对6061的六系铝合金管进行热处理：将6061的六系铝合金管放置在加热炉中，缓慢升温到160℃，保温720分钟后，6061的六系铝合金管随加热炉自然冷却至常温；

第三步，对要进行焊接的纯铜管及6061的六系铝合金管的端口进行切削，以除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，各端口的表面粗糙度均控制在15μm±2μm；

第四步，使纯铜管及6061的六系铝合金管处于同一轴线上，采用摩擦焊接的方法，使纯铜管及6061的六系铝合金管的端口对接焊在一起，纯铜管及6061的六系铝合金管的结合面形成焊接接头3。

经过第一步对纯铜管的焊接前的热处理，退火后的纯铜管的抗拉强度由退火前的383MPa减低到174MPa，使得处理后的纯铜管的抗拉强度可以更加接近6061的六系铝合金管的抗拉强度。

对于第一步，优选的是在加热炉中通入惰性气体，避免纯铜管在高温情况下与空气产生氧化反应，优选的气体为干燥的氮气。

对于第一步，所述的缓慢升温，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐地升高加热炉内的温度。

第二步对6061的六系铝合金管的焊接前的热处理，使得经过人工时效后的6061的六系铝合金管的抗拉强度高达330MPa。这样，处理后的6061的六系铝合金管抗拉强度明显增强。

对于第二步，所述的缓慢升温到160℃，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐地升高加热炉内的温度。

第三步对端口进行切削，使得端口平整更利于焊接。

第四步的摩擦焊接管材使用的方法为本领域技术人员公知的技术，本发明就不做进一步详述。由于在摩擦焊接之前对纯铜管和6061的六系铝合金管进行了热处理，使得原有纯铜管和6061的六系铝合金管的抗拉强度有了明显的改变。在原来的铜铝摩擦焊中，铝合金管由于质地比较软，特别是温度升高后的质地明显变软，导致轴向压力稍大就会产生比铜管大得多的变形。而采用本发明披露的焊接工艺后，可以降低纯铜管和6061的六系铝合金管之间的抗拉强度差异，即使在摩擦焊接过程中，温度升高且轴向有比较大的压力情况下，纯铜管和6061的六系铝合金管的变形量相匹配，从而保证了焊接接头的质量。

本实施例中的纯铜管的截面和6061的六系铝合金管的截面相同。

第二实施例

本实施例与第一实施例的不同之处在于，铜管的材料采用无氧铜，其它完全按照实施例一的工艺加工后，对加工制造后得的焊接接头3进行加热处理，使得焊接接头3的抗拉强度进一步提高。具体步骤有：

第五步，焊接后对焊接接头3进行热处理：将焊接接头3放置在加热炉中，缓慢升温到120℃，保温60分钟后，焊接接头3随加热炉自然冷却至常温。

一般情况下，加热炉的容积为足够大，可以放入焊接接头3相接的铜管和铝合金管。

第五步对焊接接头3进行焊接后的热处理，使得热处理后的焊接接头3的抗拉强度有明显的提高，由于摩擦焊过程中产生的高温，使得铜铝结合处产生了金属间化合物，而且这种金属间化合物的成分分布不均匀，靠近铜管侧的铜浓度较高，而靠近铝合金管侧的铝浓度较高，这种成分上的不均匀会使得焊接接头的抗拉强度也是不均匀和不稳定的。经过热处理后，焊接接头处的金属间化合物可以充分混合均匀，使焊接接头的抗拉强度均匀和稳定化，从而提高焊接接头的整体抗拉强度。通过焊接后的热处理对焊接接头的强度进行强化，焊接接头的抗拉强度可以增强到110MPa。

对于第五步，优选的是在加热炉中注入惰性气体，避免铜管在高温情况下与空气产生化学反应，优选的气体为干燥的氮气。至于铝合金管，在此温度下与氧气反应后，在其表面会形成致密的氧化膜，阻止氧化的进一步深入。

其余未述部分见第一实施例，不再重复。

第三实施例

牌号为TP2的铜管与编号为6063的六系铝合金管之间的摩擦焊接工艺，包括以下步骤：

第一步，焊接前对TP2铜管进行热处理：将TP2铜管放置在加热炉中，缓慢升温到200℃，保温3分钟后，铜管随加热炉自然冷却至常温；

第二步，焊接前对6063的六系铝合金管进行热处理：将6063的六系铝合金管放置在加热炉中，缓慢升温到200℃，保温180分钟后，6063的六系铝合金管随加热炉自然冷却至常温；

第三步，对要进行焊接的TP2铜管及6063的六系铝合金管的坯料的端口进行切削，以除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度控制在7μm±2μm；

第四步，使TP2铜管和6063的六系铝合金管处于同一轴线上，采用摩擦焊接的方法，使TP2铜管和6063的六系铝合金管的端口对接焊在一起，TP2铜管和6063的六系铝合金管的结合面形成焊接接头。

第五步，焊接后对焊接接头进行热处理：将摩擦焊接好的焊接接头放置在加热炉中，缓慢升温到150℃，保温120分钟后，焊接接头随加热炉自然冷却至常温。

其中，第一步对TP2铜管的进行焊接前的热处理，使得在退火后的TP2铜管的抗拉强度减低到250MPa，使得处理后的TP2铜管的抗拉强度可以更加接近6063的六系铝合金管的抗拉强度。

对于第一步，优选的是在加热炉中冲注惰性气体，避免铜在高温情况下与空气产生化学反应，优选的气体为干燥的氮气。

对于第一步，所述的缓慢升温到200℃，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐地升高加热炉内的温度。

第二步对6063的六系铝合金管的焊接前的热处理，使得经过人工时效处理的6063的六系铝合金管的抗拉强度升高到290MPa，使得处理后的6063的六系铝合金管的抗拉强度明显增强。

对于第二步，所述的缓慢升温到200℃，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐的升高加热炉内的温度。

第三步对端口进行切削，使得端口平整更利于焊接，粗糙度控制在5-20μm是适于实现的。

第四步中的摩擦焊接管材使用的方法是本领域技术人员公知的技术，本发明就不做进一步详述。由于在摩擦焊接之前对TP2铜管和6063的六系铝合金管的热处理，使得原有TP2铜管和6063的六系铝合金管的抗拉强度有了明显的改变。

在原先的铜铝摩擦焊中，6063的六系铝合金管由于质地比较软，特别是温度升高后质地明显变软，导致轴向压力稍大就造成6063的六系铝合金管的变形较大。采用本发明披露的焊接工艺，可以减小6063的六系铝合金管与TP2铜管之间的抗拉强度差异，即使在摩擦焊接过程中，温度升高的情况下，仍然可以保证轴向有比较大的压力情况下，6063的六系铝合金管不会发生过大的塑性变形，保证了焊接接头的质量。

第五步对焊接接头3进行焊接后的热处理，使得热处理后的焊接接头3的抗拉强度有明显的提高。由于摩擦焊过程中产生的高温，使得铜铝结合处产生了金属间化合物，而且这种金属间化合物的成分分布不均匀，靠近铜管侧的铜浓度较高，而靠近铝合金管侧的铝浓度较高，这种成分上的不均匀会使得焊接接头的抗拉强度也是不均匀和不稳定的。经过热处理后，焊接接头处的金属间化合物可以充分混合均匀，使焊接接头的抗拉强度均匀和稳定化，从而提高焊接接头的整体抗拉强度。所以在经过了焊接后的热处理对焊接接头的强化后，抗拉强度可以增强到80MPa。

对于第五步，优选的是在加热炉中注入惰性气体，避免铜在高温情况下与空气产生化学反应，优选的气体为干燥的氮气。

其余未述部分见第一实施例，不再重复。

第四实施例

含镁和硅的铝合金管，其中，硅的含量为1.5％，镁的含量为1.0％。

含镁和硅的铝合金管与牌号为TP2的铜管之间的摩擦焊接工艺，其步骤包括：

第一步，焊接前对TP2铜管进行热处理：将TP2铜管放置在加热炉中，缓慢升温到180℃，保温3分钟后，铜管随加热炉自然冷却至常温；

第二步，焊接前对含镁和硅的铝合金管进行热处理：将含镁和硅的铝合金管放置在加热炉中，缓慢升温到170℃，保温180分钟后，含镁和硅的铝合金管随加热炉自然冷却至常温；

第三步，对要进行焊接的TP2铜管及含镁和硅的铝合金管的坯料的端口进行切削，以除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度控制在7μm±2μm；

第四步，使TP2铜管和含镁和硅的铝合金管处于同一轴线上，采用摩擦焊接的方法，使TP2铜管和含镁和硅的铝合金管的端口对接焊在一起，TP2铜管和含镁和硅的铝合金管的结合面形成焊接接头。

第五步，焊接后对焊接接头进行热处理：将摩擦焊接好的焊接接头放置在加热炉中，缓慢升温到150℃，保温120分钟后，焊接接头随加热炉自然冷却至常温。

其中，第一步对TP2铜管的焊接前的热处理，使得在退火后的TP2铜管的抗拉强度减低到174MPa，使得处理后的TP2铜管的抗拉强度可以更加接近铝合金管的抗拉强度。

对于第一步，优选的是在加热炉中冲注惰性气体，避免铜在高温情况下与空气产生化学反应，优选的气体为干燥的氮气。

对于第一步，所述的缓慢升温到200℃，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐地升高加热炉内的温度。

第二步对含镁和硅的铝合金管的焊接前的热处理，使得在人工时效后的含镁和硅的铝合金管的抗拉强度升高到270MPa，使得处理后的含镁和硅的铝合金管的抗拉强度明显增强。

对于第二步，所述的缓慢升温到170℃，是指按照每分钟升高10℃的速度，逐渐的升高加热炉内的温度。

第三步对端口进行切削，使得端口平整更利于焊接，粗糙度控制在5-20μm是适于实现的。

第四步中的摩擦焊接管材使用的方法是本领域技术人员公知的技术，本发明就不做进一步详述。由于在摩擦焊接之前对TP2铜管和含镁和硅的铝合金管的预处理，使得原有的TP2铜管和含镁和硅的铝合金管的抗拉强度有了明显的改变。

在原先的铜铝摩擦焊中，含镁和硅的铝合金管由于质地比较软，特别是温度升高后质地明显变软，导致轴向压力稍大就使含镁和硅的铝合金管产生形变。采用本发明披露的焊接工艺，可以减小含镁和硅的铝合金管与TP2铜管之间的抗拉强度差异，即使在摩擦焊接过程中，温度升高的情况下，仍然可以保证轴向有比较大的压力情况下，含镁和硅的铝合金管不会发生过大的塑性形变，保证了焊接头的质量。

第五步对焊接接头3进行焊接后的热处理，使得热处理后的焊接接头3的抗拉强度有明显的提高，由于摩擦焊过程中产生的高温，使得铜铝结合处产生了金属间化合物，而且这种金属间化合物的成分分布不均匀，靠近铜管侧的铜浓度较高，而靠近铝合金管侧的铝浓度较高，这种成分上的不均匀会使得焊接接头的抗拉强度也是不均匀和不稳定的。经过热处理后，焊接接头处的金属间化合物可以充分混合均匀，使焊接接头的抗拉强度均匀和稳定化，从而提高焊接接头的整体抗拉强度。所以在经过了焊接后的热处理对焊接接头的强化后，焊接接头的抗拉强度可以增强到90MPa。

对于第五步，优选的是在加热炉中冲注惰性气体，避免铜在高温情况下与空气产生化学反应，优选的气体为干燥的氮气。

其余未述部分见第一实施例，不再重复。

Claims (8)

1.一种铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是包括以下步骤：

第一步，焊接前对铜材(1)进行热处理：将铜材(1)放置在加热炉中，缓慢升温到T1，保温t1分钟后，铜材(1)随加热炉自然冷却至常温，其中，T1的温度范围为160～-220℃，t1的时间范围是3～120分钟；

第二步，焊接前对铝合金材(2)进行热处理：将铝合金材(2)放置在加热炉中，缓慢升温到T2，保温t2分钟后，铝合金材(2)随加热炉自然冷却至常温，其中，T2的温度范围为160～240℃，t2的时间范围是120分钟～720分钟；

第三步，对要进行焊接的铜材(1)及铝合金材(2)的端口进行切削，除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度为5～20μm；

第四步，使铜材(1)和铝合金材(2)处于同一轴线上，采用摩擦焊接的方法，使这两种材料的接触处对接焊在一起，铜材(1)和铝合金材(2)的结合面形成焊接接头(3)。

2.根据权利要求1所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述铜材(1)为纯铜、无氧铜或者磷脱氧铜；所述铝合金材(2)为含硅量0.1～4.0％(wt％，下同)，含镁量0.2～6.0％的铝合金。

3.根据权利要求2所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述铝合金为六系铝合金。

4.根据权利要求1所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是还包括第五步，在焊接后对焊接接头(3)进行热处理：将焊接接头(3)放置在加热炉中，缓慢升温到T3，保温t3分钟后，焊接接头(3)随加热炉自然冷却至常温，其中，T3的温度范围为120～150℃，t3的时间范围是10～150分钟。

5.根据权利要求1至4任一所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述铜材(1)和铝合金材(2)为管材或棒材，当铜材(1)和铝合金材(2)为管材时，铜材(1)和铝合金材(2)的外径与壁厚相等。

6.根据权利要求5所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述缓慢升温是指每分钟温度升高10度。

7.根据权利要求6所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述加热炉的内部充满惰性气体。

8.根据权利要求7所述的铜材与铝合金材的摩擦焊接工艺，其特征是所述惰性气体为干燥的氮气。