CN102528255A

CN102528255A - V形面铜铝焊接加工工艺及电力电缆用焊接接头

Info

Publication number: CN102528255A
Application number: CN2010106170351A
Authority: CN
Inventors: 赵越; 左铁军; 王昕�; 万延尧; 杨训; 孙德兴; 王岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-04
Also published as: WO2012089038A1

Abstract

本发明涉及一种V形面铜铝焊接加工工艺，步骤包括用机加工方法对铜管一端加工，形成具有锥度β的焊接面；将铝管和铜管固定在V形面挤压电阻焊接机的左右电极上，铝管侧电极为固定电极，铜管侧电极为可沿接头轴向移动的活动电极，在铜管内孔中预置填充块；将铜管推向铝管并实现紧密接触，对左右电极通电加热铜铝接头，铜管沿接头轴向向铝管内部滑移；推进铜管达到焊接所需深度L后，断电，铜铝管焊缝凝固，停止推进；在停电瞬间，用压力将铜管内填充块压入铜管内收缩处，对焊缝区域施压，填充块被永久固定在焊接区域，形成接头。

Description

V形面铜铝焊接加工工艺及电力电缆用焊接接头

技术领域

本发明涉及一种挤压电阻焊接工艺，尤其是铜铝金属焊接工艺。

本发明还涉及一种用上述方法生产的焊接接头，尤其是电力电缆用铜铝焊接接头。

背景技术

在铜资源紧缺，铝制电力电缆、线（以下简称铝导体）代替铜制电力电缆、线（以下简称铜导体）的呼声越来越高。铝代铜成为节约铜资源的有效手段之一，但推广铝导体首先要解决电力电缆、电力导体的铜铝连接问题，最好的方案是用焊接方式加工的铜铝接头做中间过渡段，用铜铝接头的铜铝两端连接铜导体和铝导体。

用摩擦焊接方法、闪光电阻焊接方法可以焊接铜和铝，但这两种方法均采用铜铝端面连接，接触面无法全部熔合，实际使用中，受焊接方法自身能力的制约，经常出现铜铝熔合不好，造成“不过渡”,从而引起接头发热，导电性能也不能完全满足使用要求；未熔合部分会形成应力集中，存在开裂隐患，甚至脱落，造成电器事故或人员伤亡等灾害事故，铝导体与铜导体不能实现可靠连接，阻碍了铝电缆的推广应用。

已有铜铝管电阻焊技术采用铜管插入到铝管然后进行焊接的方式，尽管可以获得致密度好的管路接头结构，但这种铜铝组合管路件的材料特征是壁厚较薄，电力电缆要求使用厚壁甚至实芯铜棒；用于电力电缆的铜铝接头的铜端的斜面不能完全采用精密辊锻方式加工成型；厚壁铝管的表面氧化物清除方式与薄壁铝管不相同，不加以改造创新不能直接用于电力电缆导体用铜铝接头的焊接。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适合厚壁铜铝焊接的V形面挤压电阻焊接工艺。

对于上述技术问题，本发明是这样解决的：

步骤一：用机加工方法对铜管一端加工，形成具有锥度β的焊接面, 此时铜管位于焊接面区域的内径略为收缩形成具有收缩角γ的内收缩处；

所述锥度β依据铝管外径d1、铜管外径d2、铝管内径d3按下述公式确定：β=A－0.15*d1＋3*d2－2.7*d3，其中A的取值范围为14^○至16^○。

步骤二：将铝管和铜管固定在V形面挤压电阻焊接机的左右电极上，铝管侧电极为固定电极，铜管侧电极为可沿接头轴向移动的活动电极，在铜管内孔中预置填充块；

步骤三：将铜管推向铝管并实现紧密接触，对左右电极通电加热铜铝接头，铜管沿接头轴向向铝管内部滑移。

步骤四：推进铜管达到焊接所需深度L后，断电，铜铝管焊缝凝固，停止推进；

所述推进深度L依据铜管外径d2、铝管内径d3、V形待焊面锥度β按下述公式确定：L =（d2－d3）/2tg(β/2)。

步骤五：在停电瞬间，用压力将铜管内填充块压入铜管内收缩处，对焊缝区域施压，填充块被永久固定在焊接区域，形成接头。

本发明的焊接原理如下所述：铜管经缩口处理的锥面与铝管内径的边缘形成线接触，加压、通电后铜管与铝管的接触点的电流密度大，温度高，铝的氧化物会瞬间熔化，此时，铜铝管之间形成环线状熔池，焊接过程中，铝的熔化速度和熔化量远大于铜管表面的熔化速度和熔化量，受到铝管外壁约束力的制约，熔池沿着铜管的锥面在滑移中扩大，铜管不断向铝管中水平推进，接触环线熔池逐渐变成锥形熔化环带，该环带熔池与空气完全隔绝，熔池内的铝不会发生氧化，焊缝受到挤压作用力，铜铝之间熔化带内的铜铝共晶组织被挤到熔化区外，在规定的时间内，铜管的平移距离达到L时，断电冷却后形成铜铝焊缝，该焊缝形成一个夹角为β的V形面焊缝。

本发明对焊接面的锥度β角进行了限定，原因在于：厚壁管焊接时需要更大的推进力，所以β需要小一点；而薄壁管选择的β不能过小，否则V形待焊面锥度断过长影响焊接。

本发明对推进深度做了限定，原因在于：推进深度需要以锥部恰好进入铝管最好,否则会出现铜管不平,或铝管涨起的外观缺陷。上述公式确定了最佳的推进深度。

本发明的有益效果是：

1、本发明在不使用任何焊接材料、焊接助剂的前提下，采用挤压电阻焊的方式将铝和铜焊接在一起。

2、焊接时，铜质工件作水平移动，缩口端向铝质工件内部挤压，铝质工件外部形状受控，不因受力而发生膨胀变形。

3、在切断左右电极间电源的瞬间，用压力将填充块压入焊接接头区域，焊接区域会受到进一步的挤压，从而减少铜铝共晶组织的产生。焊接管接头的通孔被填充块分隔开，从而隔绝了铜铝电缆线的直接接触，便于控制铜铝线缆的插入深度。

4、由本发明构筑的V形面焊缝与端口对接焊缝相比明显增加了熔合区域的面积，本发明生产的铜铝接头熔合区域面积是对接接头的1.5~2.5倍，特别有利于导电，因此，由本发明加工的这种特殊结构铜铝接头特别适合电力电缆的铜铝过渡应用。

5、在背散射扫描电镜下观察，由本发明构筑的接头的铜铝焊缝微观组织由柱状晶和厚度≤2μm铜铝共晶（α-Al+CuAl2）组织构成，本发明的本质是尽量减少共晶组织数量，目标是形成单一的柱状晶组织。

6、在高分辨投射电镜下进一步观察，由本发明构筑的柱状晶由四种物质构成即靠近铝管侧以铝为基的铝铜固溶体和新生成的物质CuAl2；靠近铜管侧的以铜为基的铜铝固溶体和新生成的物质Cu9Al4。

上述工艺还可以用来焊接铜棒与铝管接头，所述步骤一是加工铜棒的一端形成具有锥度β的焊接面，铜棒的焊接面端钻有构成中空结构的盲孔；所述步骤二是将填充块预置在铝管的内孔中；所述步骤五是将预置在铝管的内孔中的填充块用压力压入铜棒的盲孔内，从而对焊缝区域施压。

为增加铜铝接头拉伸性能，也可以在铜管待焊接表面预制一些细坑，焊接过程中焊缝金属会填满这些细坑，其中的焊缝组织起到钉扎固定的作用。

为增加铜铝接头的熔合面积，可以在铜的表面预制纵向齿形，这些齿形会压入铝材内部增加焊接面积。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种用上述方法制造的铜铝焊接接头。上述问题是这样解决的：一种厚壁铜铝焊接接头，由铜管、铝管、V形焊接面构成，其特征在于在铜端内部有永久填充块。

附图说明

图1 铜管管端焊接区加工示意图；

图2 铜管与铝管焊接启动阶段示意图；

图3 V形面焊缝示意图；

图4 铜管与铝管焊接终止阶段示意图；

图5 长填充块铜铝管接头示意图；

图6 铜棒端焊接区加工示意图；

图7 铜棒铝管焊接接头示意图；

其中1.铝管 2.铜管 3.填充块 4.长填充块 5.铜棒用填充块 F1.铝电极夹持力 F2.铜电极夹持力 F3.铜管主推进力　F4.填充物推入力　F5.填充物对接头的挤压力 d1.铝管外径、d2.铜管外径、d3.铝管内径、 L.铜管推进深度、 β.铜管待焊面角度暨V形面焊缝角度、γ收缩角。

具体实施方式

具体实施例一：铜管-铝管接头的加工工艺步骤：

步骤1：铜管下料，首先用机加工方法将铜管一端初步加工，然后再用精密辊锻方法将该端焊接面加工至β，铜管内径略为收缩形成γ角，如图1所示。

步骤二：铝管下料。

步骤三：将铝管1和铜管2放置在V形面挤压电阻焊接机的左右电极上，用压力F1将电极上的铝管1固定、用压力F2将电极上的铜管2固定，铝管1侧电极为固定电极，铜管2侧电极为可沿接头轴向移动的活动电极，在铜管2内孔中预置填充块3。

步骤四：如图2所示，启动主推力F3，将铜管2推向铝管1并实现紧密接触；

步骤五：对左右电极通电加热铜铝接头，铜铝接触面迅速熔化，铜管沿接头轴向向铝管内部滑移。铜管推进深度达到L后，断电，铜铝管焊缝凝固，见图3。

步骤六：如图4所示，主推力F3停。在停电瞬间，用压力F4将铜管内填充块3压入铜管内收缩处，对焊缝区域施压F5，填充块3被永久固定在焊接区域。

如将铜质填充块加长，将该芯轴压入整个铜管及焊接接头区域，如图5所示，则会满足铜铝压接接头冷作成型要求。

具体实施例二：铜棒-铝管接头的加工工艺步骤

铜棒-铝管接头的加工工艺步骤铜管-铝管接头相似，区别如下：用机加工方法将铜管一端加工成角度至β，并在该端钻盲孔，如图6所示；焊接后从铝管侧将填充块5压入铜棒盲孔中，如图7所示。

以φ20mm铜管构成铜铝管接头为例：焊接电流：28000~31000安培；焊接时间：80~170ms;铜端推进压力0.7~0.8吨，阻尼后的压力0.45~0.5吨；铜、铝件加持压力0.7吨.

焊缝由铜铝固熔体和新的金属间化合物构成，大部分铜铝共晶组织被排挤在焊缝以外，使得铜铝接头的焊缝无开裂隐患，能满足相关安全要求，采用了套接式接头结构，提高了接头的导电性。因此，本发明可以用于对安全性要求较高的电力电缆铜铝管接头。

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

1.一种V形面铜铝焊接加工工艺，其特征在于：

步骤一：用机加工方法对铜管一端加工，形成具有锥度（β）的焊接面, 此时铜管位于焊接面区域的内径略为收缩形成具有收缩角（γ）的内收缩处；

所述锥度（β）依据铝管外径（d1）、铜管外径（d2）、铝管内径（d3）按下述公式确定：β=A－0.15*d1＋3*d2－2.7*d3，其中A的取值范围为14^○至16^○；

步骤三：将铜管推向铝管并实现紧密接触，对左右电极通电加热铜铝接头，铜管沿接头轴向向铝管内部滑移；

步骤四：推进铜管达到焊接所需深度（L）后，断电，铜铝管焊缝凝固，停止推进；

所述推进深度L依据铜管外径d2、铝管内径d3、V形待焊面锥度β按下述公式确定：L =（d2－d3）/2tg(β/2)；

2.如权利要求1所述的一种V形面铜铝焊接加工工艺，其特征在于所述步骤一是加工铜棒的一端形成具有锥度β的焊接面，铜棒的焊接面端钻有构成中空结构的盲孔；所述步骤二是将填充块预置在铝管的内孔中；所述步骤五是将预置在铝管的内孔中的填充块用压力压入铜棒的盲孔内，从而对焊缝区域施压。

3.如权利要求1或2所述的一种V形面铜铝焊接加工工艺，其特征在于步骤一完成后，在铜管待焊表面预制一些细坑，然后进行步骤二。

4.如权利要求1或2所述的一种V形面铜铝焊接加工工艺，其特征在于步骤一完成后，在铜管待焊表面预制纵向齿形，然后进行步骤二。

5.一种用权利要求1所述方法制造的厚壁铜铝焊接接头，由铜管、铝管、V形焊接面构成，其特征在于在铜端内部有永久填充块。

6.一种用权利要求2所述方法制造的厚壁铜铝焊接接头，由铜棒、铝管、V形焊接面构成，其特征在于在铜端内部有永久填充块。