异种金属的焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接领域。
背景技术
在焊接领域中,金属焊接非常普遍。焊接工艺经过多年的发展,也基本发展成熟。对于异种金属,一般需要使用焊料,这是由于异种金属本身的物理性能差异所致。例如铜和铁,铜的熔点为1000℃左右,铁的熔点为1500℃左右。因此,目前的铜铁焊接一般是通过银焊料火焰钎焊。采用火焰钎焊时,通过火焰对银焊料进行加热融化来填充铜板材和铁板材间的间隙,从而使铜板材和铁板材通过填充在间隙中的焊料将三者焊接在一起。焊接时焊接温度高于焊料熔融温度,而低于铜和铁的熔融温度。但是,这种焊接的焊接强度较低,而且由于增加了焊料,使材料成本上升。
中国专利申请201210589384.6,公开了一种压缩机排气管,其铜管段和铁管段通过闪光焊对接焊接,无需焊料。制备工艺为:a.预热:将所述压缩机排气管的铜管段和铁管段对接装配于焊接变压器次级连接的夹钳中后,对其施加大电流,铜管段和铁管段多次迅速接触呈闭路,又迅速分开呈开路,形成断续闪光,使对接端形成高热,直至对接端被熔融;b.顶锻:当对接端被熔融的长度达到设定的熔融长度时,迅速施加顶锻力完成铜管段与铁管段的焊接。
但是,采用上述工艺来焊接铜管段和铁管段是比较困难的,由于闪光焊主要适合于同种金属的焊接,因为焊接时两端部焊接口可同时达到焊接的温度,两端部口可同时熔化,达到结合。但其使用与铜管与铁管焊接时,焊接过程中铜管段端面与对接的铁管段端面获得的热量分配只能是相等的,而铜和铁的物理性能却差异较大所致。铜管的熔点为1000℃左右,铁管的熔点为1500℃左右。如采用铜类似的温度焊接时,铁无法熔接,此时的焊接状态为融化的铜仅仅附着在铁管端面表层,并未形成铜铁的结晶体。其焊接完的管件表面看很漂亮,但是其焊缝处的强度一般。如采用铁管类似的温度焊接时,铜管将会发生过烧,出现下流,铜铁管无法焊接。
而且,一方面,闪光焊接时由于铜铁的热传导系数存在5倍左右的关系,而闪光焊时由于铜铁管间的分离靠近的动作,导致铜管端部温度的大幅度波动,在铜管段的端面上不易形成稳定的液态金属层,也很难维持稳定的闪光过程;另一方面,当铜管段的端面达到其熔点时,它就迅速大段地软化,也就必须提高顶锻速度。这样的结果将产生两方面的不良,一为管道易变性,二为需要夹紧铜管和铁管来实施顶锻力,夹紧力易夹伤铜管和铁管表面,使得焊接后需要对夹痕进行处理。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供一种异种金属的焊接方法,其焊接强度高且稳定,材料成本下降。
本发明的目的是这样实现的:一种异种金属的焊接方法,其特征在于:所述的异种金属通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊或高频焊自熔焊接,Q’高熔点金属-△Q等于0.90Q’低熔点金属~1.1Q’低熔点金属情况下焊接时供热设备热量均匀分配给高熔点金属和低熔点金属;Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属情况下焊接时高熔点金属分配较多热量,低熔点金属分配较少热量;Q’高熔点金属-△Q小于0.9Q’低熔点金属情况下焊接时高熔点金属分配较少热量,低熔点金属分配较多热量;
其中:Q’高熔点金属=Q高熔点金属/m高熔点金属,Q’低熔点金属=Q低熔点金属/m低熔点金属,Q’为单位质量的金属熔化所需的热量,Q为金属熔化所需的热量,m为金属需要熔化那部分的质量;
△Q=C△T=Q预热/m,△T=T预热后金属温度-T环境温度,C为金属的比热容,Q预热为对金属进行焊接前预热供给的热量,△Q为对单位质量的金属进行焊接前预热供给的热量,且定义对高熔点金属进行预热则△Q为正值,对低熔点金属进行预热则△Q为负值,焊接前无预热则△Q为0。
至少满足以下一项条件:m高熔点金属不等于m低熔点金属,或者焊接前对异种金属中的一种进行预热。
焊缝处高熔点金属需要熔化那部分的质量小于低熔点金属需要熔化那部分的质量;或者,焊接前对高熔点金属进行预热。
所述的异种金属为板材或管材。
所述的异种金属板材焊接时采用对接或搭接的形式;所述的异种金属管材焊接时采用对接或套接的形式。
所述的焊缝由异种金属板材对接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时,供热设备为单焊枪或双焊枪;所述的焊缝由异种金属板材搭接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时,供热设备为单焊枪;所述的焊缝由异种金属管材对接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时供热设备为单焊枪、双焊枪或环形焊枪,通过高频焊时,供热设备为单线圈或双线圈;所述的焊缝由异种金属管材套接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时供热设备为单焊枪、双焊枪或环形焊枪。
所述的焊缝由异种金属板材搭接形成或由异种金属管材套接形成,焊枪喷嘴指向焊缝且加热区域需偏移时,焊枪喷嘴的中轴线与搭接平面的夹角为5°~85°。
所述的异种金属的焊缝处设有第三种金属,焊接时三者自熔形成混合的结晶体。
所述的第三种金属附着于熔点高于它的金属上;或者,添加第三种金属的焊丝,该焊丝置于高于它熔点的温度区域中。
所述的异种金属为构成异种金属组合管的管材,该组合管为压缩机的排气管、吸气内管、吸气外管、储液器进气管或储液器出气管,或者为空调器的配管、连接管、换向阀管或膨胀阀管。
本发明采用氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊或高频焊等焊接工艺对异种金属进行焊接,通过控制异种金属需要熔化那部分的质量大小和/或进行焊接前预热,并在焊接时稳定控制各部分热量分配,使待焊接的异种金属能尽量同步达到熔融温度,从而实现良好自熔合,无需焊料,同时还提高了焊接品质,焊接口平滑光亮,焊接强度比传统的火焰焊提高1.5倍以上。
附图说明
图1是本发明的实施例1生产原理示意图(板材对接,采用单焊枪);
图2是本发明的实施例2生产原理示意图(板材对接,采用双焊枪);
图3是本发明的实施例3生产原理示意图(板材搭接,采用单焊枪);
图4是本发明实施例4生产原理示意图(铜管和铁管对接焊接,铁管厚度小于铜管,氩弧焊单焊枪);
图5是本发明实施例5生产原理示意图(铜管和铁管对接焊接,厚度相同但铁管端口削成斜面,高频焊单线圈);
图6是本发明实施例6生产原理示意图(铜管和铁管套接,厚度相同,氩弧焊单焊枪);
图7是本发明实施例7生产原理示意图(铜管和铁管对接,铜管厚度小于铁管,激光焊环形焊枪);
图8是本发明实施例7环形焊枪的示意图;
图9是本发明实施例8、9生产原理示意图(铜管和铁管对接焊接,铁管厚度大大小于铜管,激光焊单焊枪)。
具体实施方式
本发明是一种异种金属的焊接方法。
所述的异种金属通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊或高频焊自熔焊接,Q’高 熔点金属-△Q等于0.90Q’低熔点金属~1.1Q’低熔点金属情况下焊接时供热设备热量均匀分配给高熔点金属和低熔点金属;Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属情况下焊接时高熔点金属分配较多热量,低熔点金属分配较少热量;Q’高熔点金属-△Q小于0.9Q’低熔点金属情况下焊接时高熔点金属分配较少热量,低熔点金属分配较多热量,从而使待焊接的异种金属能尽量同步达到熔融温度;
其中:Q’高熔点金属=Q高熔点金属/m高熔点金属,Q’低熔点金属=Q低熔点金属/m低熔点金属,Q’为单位质量的金属熔化所需的热量,Q为金属熔化所需的热量,m为金属需要熔化那部分的质量。以上是根据公式Q=Cm△T,推导得Q/m=C△T=Q’,其中Q为金属熔化所需的热量,C为金属的比热容,m为金属需要熔化那部分的质量,△T=T熔点温度-T环境温度,Q’为单位质量所需的热量。
△Q=C△T=Q预热/m,△T=T预热后金属温度-T环境温度,C为金属的比热容,Q预热为对金属进行焊接前预热供给的热量,△Q为对单位质量的金属进行焊接前预热供给的热量,且定义对高熔点金属进行预热则△Q为正值,对低熔点金属进行预热则△Q为负值,焊接前无预热则△Q为0。
由于Q/m=C△T=Q’,因此可以通过控制m值、△T改变Q’的大小。优选的,在本发明中,至少满足以下一项条件:m高熔点金属不等于m低熔点金属,或者焊接前对异种金属中的一种进行预热。最优选的,使焊缝处高熔点金属需要熔化那部分的质量小于低熔点金属需要熔化那部分的质量,例如,使焊缝处高熔点金属的接口厚度薄于低熔点金属的接口厚度或将焊缝处高熔点金属的接口削成斜面;或者,最优选的,焊接前对高熔点金属进行预热,从而缩窄焊缝处异种金属在焊接过程中达到各自熔点温度所需热量的差值,便于后续的焊接步骤。但对于不同产品,材料的厚度有特殊要求,或处理工艺上有特殊要求的,在实际生产中不一定能按优选的方案控制m值、△T,此时只要通过焊接时控制焊接热量的分配也能够实现异种金属同步达到熔融温度。
待焊接的异种金属可以为板材或管材,其厚度可以相同或不同。
异种金属板材焊接时可采用对接或搭接的形式。焊缝由异种金属板材对接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时,供热设备为单焊枪或双焊枪。焊缝由异种金属板材搭接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时,供热设备为单焊枪。
异种金属管材焊接时可采用对接或套接的形式。焊缝由异种金属管材对接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时供热设备为单焊枪、双焊枪或环形焊枪,通过高频焊时,供热设备为单线圈或双线圈。焊缝由异种金属管材套接形成,通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊或激光焊焊接时供热设备为单焊枪、双焊枪或环形焊枪。
当焊缝由异种金属板材搭接形成或由异种金属管材套接形成,焊枪喷嘴指向焊缝且加热区域需偏移时,焊枪喷嘴的中轴线与搭接平面的夹角为5°~85°。
在压缩机领域中,需要焊接的异种金属常见的例如有铁与铜,或者为铜与铝等,均适用上述焊接方法。
为了提高焊道的强度,还可在异种金属的焊缝处设有第三种金属(例如附着有第三种金属层,该第三种金属层设在熔点高于它的板材上;或者,添加第三种金属的焊丝,该焊丝置于高于它熔点的温度区域中),焊接时三者自熔形成混合的结晶体,一般强度较两种金属融合的结晶体上升1.2倍。添加第三种金属的方法是将该第三种金属设在异种金属的对接口处,这样当异种金属达到熔融温度,该第三种金属也已熔融,从而最终达到三者自熔。采用此方法与传统添加焊料的目的完全不同,传统添加焊料的目的只是焊料自熔,而两端材料不熔,起到过渡焊接的目的,而本发明的目的是让三者自熔,达到三者的结晶物。
当本发明中的异种金属为管材时,焊接制得异种金属组合管,该组合管可以应用为压缩机的排气管、吸气内管、吸气外管、储液器进气管或储液器出气管,或者为空调器的配管、连接管、换向阀管或膨胀阀管。铁与铜的原子序数分别为26与29,很接近,而且高温时,晶格类型(都为面心立方,而在α-Fe中析出的Cu与α-Fe相似,为体心立方)、晶格常数(面心立方时,αFe=3.668,αCu=3.6147)、原子半径(铁与铜分别为1.27埃与1.28埃),也都很接近,这对它们在高温焊接时形成铜与铁的过渡共熔区是十分有利的。以下以铜与铁为异种金属进行焊接为例,结合附图对本发明进行进一步阐释,但本发明并不限于此特定例子。
实施例1
如图1所示,本实施例为铜板1和铁板2的通过氩弧焊对接焊接,两板材的厚度相同。
焊接前对铁板2进行预热至500±50℃,使得Q’高熔点金属-△Q等于0.90Q’低熔点金属~1.1Q’低熔点金属。铜板1和铁板2的边缘对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜板1和铁板2的边缘对接时,在铜板1的另一侧和铁板2的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜板1和铁板2的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例热量可均匀分配给铜板1和铁板2,采用的供热设备是单焊枪,使焊枪喷嘴4对准焊缝3即可。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜板和铁板不动,或铜板和铁板移动而焊枪不动),使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例2
如图2所示,本实施例为铜板1和铁板2的通过氩弧焊对接焊接,两板材的厚度相同。
焊接前对铁板2进行预热至300±50℃,使得Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属。铜板1和铁板2的边缘对接接触形成焊缝3,焊缝3无需焊料。当铜板1和铁板2的边缘对接时,在铜板1的另一侧和铁板2的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜板1和铁板2的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例采用的供热设备是双焊枪,其中输出较低热量的焊枪喷嘴4对应处理铜板1,使铜板1较少的热量,而输出较高热量的焊枪喷嘴4对应处理铁板2,使铁板2分配到较多的热量,约为铜板1获得的热量的1.2倍,以尽量使得两种金属可以同时达到各自的熔点温度。开始焊接时,通过控制双焊枪与焊缝3的相对移动(双焊枪移动而铜板和铁板不动,或铜板和铁板移动而双焊枪不动),使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例3
如图3所示,本实施例为铜板1和铁板2的通过氩弧焊搭接焊接,两板材的厚度相同。
焊接前对铁板2进行预热至300±50℃,使得Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属。铜板1和铁板2的边缘重叠,搭接接触形成焊缝3,焊缝3无需焊料。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例采用的供热设备是单焊枪,焊枪喷嘴4指向焊缝3且加热区域往铁板2方向偏移,使铁板2或得的热量约为铜板1获得热量的1.2倍,焊枪喷嘴4的中轴线与搭接平面的夹角为45°,使焊接时,靠近焊枪的铁板2需要形成互熔区的位置全部或部分熔融,铜板1在需要形成互熔区的位置部分熔融,两块板材通过自熔焊接,无需焊料。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜板和铁板不动,或铜板和铁板移动而焊枪不动),使整个焊缝形3成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例4
如图4所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过氩弧焊对接焊接。
焊接前对管材无预热,但铁管22的厚度小于铜管11约1/3,使得Q’高熔点金属-△Q等于0.90Q’低熔点金属~1.1Q’低熔点金属。铜管11和铁管22对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜管11和铁管22对接时,在铜管11的另一侧和铁管22的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜管11和铁管22的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例热量可均匀分配给铜管11和铁管22,采用的供热设备是单焊枪,使焊枪喷嘴4对准焊缝3即可。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜管和铁管不动,或铜管和铁管转动而焊枪不动),使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例5
如图5所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过高频焊对接焊接。
焊接前对管材无预热,铁管22和铜管11等厚,但铁管22接口被削成斜面,使得Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属。铜管11和铁管22对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜管11和铁管22对接焊接时,在铜管11的另一侧和铁管22的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜管11和铁管22的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与加热线圈5的相对位置,在本实施例中,采用的供热设备是单个加热线圈5,使加热线圈5向铁管22偏移,铁管22分配到较多的热量,使铜管11和铁管22尽可能同步熔融。开始焊接时,加热线圈5和铜管11、铁管22皆无需移动,使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例6
如图6所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过氩弧焊套接焊接,两管材的厚度相同。
焊接前对铁管22进行预热至300±50℃,使得Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属。铜管11端口套接于铁管22端口内,套接接触形成焊缝3,焊缝3无需焊料。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例采用的供热设备是单焊枪,焊枪喷嘴4指向焊缝3且加热区域往铁管22方向偏移,使铁板2或得的热量约为铜板1获得热量的1.2倍,焊枪喷嘴4的中轴线与搭接平面的夹角为45°,使焊接时,位于外围的铁管22需要形成互熔区的位置全部或部分熔融,铜管11在需要形成互熔区的位置部分熔融,两管材通过自熔焊接,无需焊料。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜管11和铁管22不动,或铜管11和铁管22转动而焊枪不动),使整个焊缝形3成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例7
如图7所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过激光焊对接焊接。
焊接前对管材无预热,但铜管11的厚度小于铁管22,使得Q’高熔点金属-△Q大于1.1Q’低熔点金属。铜管11和铁管22对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜管11和铁管22对接时,在铜管11的另一侧和铁管22的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜管11和铁管22的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例铜管11分配较少热量而铁管22分配较多热量,使铜管11和铁管22尽可能同步熔融,采用的供热设备是由3把以上焊枪按圆周分布组成的环形焊枪(如图8所示),使焊枪喷嘴4对准焊缝3且向铁管偏移。当环形焊枪中的焊枪数量足以使管材周向形成多个边缘重叠的熔池,则环形焊枪与焊缝3不需移动就能使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。如不足以使管材周向形成多个边缘重叠的熔池,则需要转动环形焊枪或转动铜管11和铁管22。
实施例8
如图9所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过激光焊对接焊接。
焊接前对管材无预热,但铁管22的厚度远小于铜管11,使得Q’高熔点金属-△Q小于0.9Q’低熔点金属。铜管11和铁管22对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜管11和铁管22对接时,在铜管11的另一侧和铁管22的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜管11和铁管22的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例铜管11分配较多热量而铁管22分配较少热量,采用的供热设备是单焊枪,使焊枪喷嘴4对准焊缝3且向铜管偏移。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜管和铁管不动,或铜管和铁管转动而焊枪不动),使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例9
如图9所示,本实施例为铜管11和铁管22的通过激光焊对接焊接。
铁管22的厚度远小于铜管11,焊接前对铜管11进行预热,使得Q’高熔点金属-△Q等于0.90Q’低熔点金属~1.1Q’低熔点金属。铜管11和铁管22对接接触形成焊缝3,焊缝无需焊料。当铜管11和铁管22对接时,在铜管11的另一侧和铁管22的另一侧分别施加方向相对的作用力F,使铜管11和铁管22的边缘在整个焊接过程中保持接触。然后确定焊缝3与焊枪喷嘴4的相对位置,在本实施例热量可均匀分配给铜管11和铁管22,采用的供热设备是单焊枪,使焊枪喷嘴4对准焊缝3即可。开始焊接时,通过控制焊枪喷嘴4与焊缝3的相对移动(焊枪移动而铜管和铁管不动,或铜管和铁管转动而焊枪不动),使整个焊缝3形成铜-铁混合的结晶物,从而被密封焊接。
实施例10
本实施例为铜板1和铁板2的通过氩弧焊对接焊接,两板材的厚度相同。铁板2对接口一侧附着有镍层。其他同实施例1。
焊接时使铜板1和铁板2对接口的金属熔融融合形成三者混合的结晶体,从而被密封焊接。