CN104289814B - 异种金属管材焊接方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异种金属管材的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将两根异种金属管材对接，管材同步回转或焊枪回转，通过焊接工艺使对接口处的异种金属熔融，并对已熔融金属施加混合力使其混合；(2)冷却，异种金属对接口处的已熔融金属形成含有固溶体的异种金属混合体。本发明借鉴铸造原理，让各种金属熔解混合后再冷却凝固从而形成多种金属结晶体的原理，采用可精确分配热量的焊接工艺，使对接口处金属同时或几乎同时分别达到自身金属的熔融温度，然后再使熔融的异种金属充分混合均匀，并最终形成含有固溶体的异种金属混合体，从而实现了异种金属间的良好熔合，提高了焊接品质。本发明的焊接方法可应用在压缩机或空调器等领域。

Description

异种金属管材焊接方法和应用

技术领域

本发明涉及管材焊接领域，特别是异种金属管材的焊接方法和应用。

背景技术

在各种领域的产品中，经常需要使用不同种金属的管材相互连接。以目前现有技术中的压缩机排气管、吸气管等为例，大多数整根为铜材质，一端与其他铜管焊接，另一端通过银焊料火焰钎焊与压缩机的铁质上盖或铁质壳体连接。采用火焰钎焊时，一般采用铜管镶嵌在铁质上盖或铁质壳体内，通过火焰对焊料进行加热融化来填充铜管和铁质材料间的间隙，从而达到铜管铁管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温度，而低于铜管和铁质上盖或壳体的温度，从而实现焊料的填缝焊接。采用此种方法焊接时，必须采用工件通过镶嵌在铁质材料中以增大接头连接面面积，以弥补钎焊强度的不足，而且银焊料成本、铜管成本较高，同时还会因使用焊料而产生大量二氧化碳，以致污染环境。

为此，人们一直研究是否可以将铜管材和铁管材直接焊接连接。有人采用氩弧焊、等离子焊等焊接工艺焊接铜管材和铁管材。虽然两管材能够固定连接，但是强度有待提高。经过研究发现，焊接时铜管材和铁管材端口熔融金属仅仅表面粘连，结合力不足，同时接口处的熔融金属容易出现微小气泡，冷却凝固后气泡就形成微小的孔洞，使接口处的强度下降。

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管材的焊接方法，其不同金属的管材之间熔合良好，产品焊接口处强度提高。

本发明还有一个目的是上述焊接方法应用于制备压缩机或空调器。

本发明的目的是这样实现的：一种异种金属管材的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将两根异种金属管材对接，管材同步回转或焊枪回转，通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊、埋弧焊或二氧化碳保护焊使对接口处的异种金属熔融，并对已熔融金属施加混合力使其混合；(2)冷却，异种金属对接口处的已熔融金属形成含有固溶体的异种金属混合体。

所述的步骤(1)中，对异种金属管材对接口处的金属进行熔融时，对接口留有间隙、或接触、或接触且对异种金属管材沿轴向方向施加相对的压力。

所述的步骤(1)中，对异种金属管材对接口处的已熔融金属采用电弧振动，电弧冲击或气流搅动将其进行混合。

所述步骤(1)中，在异种金属管材内部通入保护性气体；或在异种金属管材内部和外部同时通入保护性气体。

所述步骤(1)中，根据Q’_{高熔点金属}-△Q_{高熔点金属}＝n(Q’_{低熔点金属}-△Q_{低熔点金属})，n等于0.90～1.1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；n大于1.1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；n小于0.9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_{1高熔点金属}/m_{高熔点金属}+Q_{2高熔点金属}/m_{高熔点金属}，Q’_{低熔点金属}＝Q_{1低熔点金属}/m_{低熔点金属}+Q_{2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，m为金属需要熔化那部分的质量，Q₁为绝热状态下m质量的金属熔化所需的热量，Q₂为该质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量；△Q＝△Q₁+△Q₂，△Q₁＝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_预热为绝热状态下金属升温至预热温度的热量，△Q₁为单位质量的金属升温至预热温度的热量，△Q₂为单位质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量，△Q为单位质量的金属升温并维持在预热温度所需的热量，为正值，焊接前无预热则△Q为0。

所述的异种金属管材为铜管材与铁或不锈钢管材，冷却，铜管材和铁或不锈钢管材对接口处的已熔融金属形成含有低于10wt％铜铁固溶体的铜铁混合体。

所述步骤(1)中，铜管材和铁或不锈钢管材两者对接口的截面积之比为0.6～5，按热量分配关系为铜管材一侧分配较高热量，铁或不锈钢管材一侧分配较低热量，使对接口金属同步熔融。

所述步骤(1)中，铜管材和铁或不锈钢管材两者对接口的截面积之比为0.6～5，采用氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊、埋弧焊或二氧化碳保护焊，所述的供热设备为单焊枪时，该单焊枪喷嘴的加热区域往铜管材偏移；或者，所述的供热设备为双焊枪时，输出较高热量的焊枪喷嘴对应处理铜管材；或者，所述的供热设备为单环形多焊枪结构，该单环形焊枪的加热区域往铜管材方向偏移；或者，所述的供热设备为双环形多焊枪结构，输出较高热量的环形多焊枪喷嘴对应处理铜管材。

所述的异种金属管材的端口附着有第三者金属层或者在对接口处添加第三者金属，焊接时三者自熔并均匀混合形成三者金属混合体。

上述焊接方法应用于压缩机或空调器领域。

本发明借鉴铸造原理，让各种金属熔解混合后再冷却凝固从而形成多种金属结晶体的原理，采用可精确分配热量的氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊、埋弧焊或二氧化碳保护焊等焊接工艺，使对接口处金属同时或几乎同时分别达到自身金属的熔融温度，然后对熔融的异种金属进行混合，使之充分混合均匀，并最终形成含有固溶体的异种金属混合体，从而实现良好的熔合，提高了焊接品质。本发明的焊接方法可应用在压缩机或空调器等领域。

附图说明

图1是本发明的压缩机排气管的实施例1生产原理示意图；

图2是本发明的压缩机排气管的实施例2生产原理示意图。

具体实施方式

本发明是一种异种金属管材的焊接方法，包括以下步骤：

(1)将异种金属管材对接，通过氩弧焊、等离子焊、准离子、激光焊、埋弧焊或二氧化碳保护焊等使对接口处的异种金属熔融。对对接口处的异种金属进行熔融时，异种金属管材对接口可以留有间隙待随后混合时再接触，或者，熔融时已经接触或接触且对异种金属管材沿轴向方向施加有相对的压力。优选的，过程中在异种金属管材内部通入保护性气体如N₂气，或者同时在外部也通入保护性气体。

优选的，根据Q’_{高熔点金属}-△Q_{高熔点金属}＝n(Q’_{低熔点金属}-△Q_{低熔点金属})，n等于0.90～1.1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；n大于1.1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；n小于0.9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_{1高熔点金属}/m_{高熔点金属}+Q_{2高熔点金属}/m_{高熔点金属}，Q’_{低熔点金属}＝Q_{1低熔点金属}/m_{低熔点金属}+Q_{2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，m为金属需要熔化那部分的质量，Q₁为绝热状态下m质量的金属熔化所需的热量，Q₂为该质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量；△Q＝△Q₁+△Q₂，△Q₁＝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_预热为绝热状态下金属升温至预热温度的热量，△Q₁为单位质量的金属升温至预热温度的热量，△Q₂为单位质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量，△Q为单位质量的金属升温并维持在预热温度所需的热量，为正值，焊接前无预热则△Q为0。

例如，异种金属管材为铜管材与铁或不锈钢管材，冷却，铜管材和铁或不锈钢管材对接口处的已熔融金属形成含有低于10wt％铜铁固溶体的铜铁混合体。铜管材和铁或不锈钢管材两者对接口的截面积之比为0.6～5，此时n小于0.9，按热量分配关系为铜管材一侧分配较高热量，铁或不锈钢管材一侧分配较低热量，使对接口金属同步熔融。由于铁或不锈钢的熔点约为铜熔点的1.5倍，而铜的热传导率为铁/不锈钢热传导率的5倍以上，因此在铜管材和铁或不锈钢管材两者对接口的截面积之比为0.6～5时，热传导率对单位材料熔融所需热量的影响较大。

例如，采用氩弧焊、等离子焊、准离子、激光焊、埋弧焊或二氧化碳保护焊，所述的供热设备为单焊枪时，该单焊枪喷嘴的加热区域往铜管材偏移；或者，所述的供热设备为双焊枪时，输出较高热量的焊枪喷嘴对应处理铜管材；或者，所述的供热设备为单环形多焊枪结构，该单环形焊枪的加热区域往铜管材方向偏移；或者，所述的供热设备为双环形多焊枪结构，输出较高热量的环形多焊枪喷嘴对应处理铜管材。以对接口为中心线，采用上述焊接工艺可以精确控制供热设备例如焊枪喷嘴的加热区域。

(2)将异种金属管材对接口处的已熔融金属进行均匀混合。进行混合时，异种金属管材对接口处接触同时同步回转，对异种金属管材对接口处的已熔融金属施加一定的搅拌力或冲击力如对异种金属管材对接口处的熔融金属采用电弧振动，电弧冲击或气流搅动等对熔融金属产生一定的冲击力或震动力，将熔融金属得以充分混合。例如采用脉冲氩弧焊对熔融金属造成间歇性冲击力；或者超声波氩弧焊，在焊机中加入超声波发生源及控制源，让超声波的能力直接作用于氩弧的电弧上，让电弧产生一定的振动，从而带动焊接部分的熔融金属实现搅拌的原理；或者以一定倾角向熔融金属吹出Ar气流，从而搅动熔融金属。

优选的，过程中在异种金属管材内部通入保护性气体如N₂气，或者同时在外部也通入保护性气体。

(3)冷却，异种金属管材对接口处的已熔融金属形成异种金属混合体，其中的异种金属混合体含有低于10wt％的固溶体。

所述的异种金属管材的端口附着有第三者金属层或者在对接口处添加第三者金属，焊接时三者自熔并均匀混合形成三者金属混合体。

采用上述焊接方法焊接铜管材与铁或不锈钢管材，可应用压缩机或空调器领域，例如压缩机的排气管、吸气内管、吸气外管、储液器进气管或储液器出气管，空调器的配管、连接管、四通阀管或膨胀阀管等等的焊接。

以下以压缩机排气管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

压缩机排气管1如图1所示，由铜管材11和铁管材12对接焊接而成。在本实施例中制备压缩机排气管1采用的是脉冲氩弧焊机2。铜管材11和铁管材12两者对接口的截面积之比为1，根据Q’_{高熔点金属}-△Q_{高熔点金属}＝n(Q’_{低熔点金属}-△Q_{低熔点金属})，n小于0.9。首先将铜管材11和铁管材12按对接的位置关系固定安装于夹具3上，焊接前铜管材11和铁管材12端口接触，对接口13无需焊料。当铜管材11与铁管材12端口接触时，在铜管材11另一端部和铁管材12的另一端部分别施加方向相对的作用力F，使铜管材11和铁管材12对接口处在整个焊接过程中保持接触。确定对接口13与焊枪喷嘴21的相对位置，然后铜管材11与铁管材12同步回转或着焊枪回转。在本实施例采用的供热设备是单焊枪，使焊枪喷嘴21往铜管材11方向偏移。偏移量按两种金属最终熔解的热量来确定，在本实施例中焊枪喷嘴21向铜管材11偏移，以对接口13为界，使焊接电弧22约2/3的加热区域对应位于铜管材11上方，约1/3的加热区域对应位于铁管材12上方，焊接电弧22分配给铜管材11的热量约为分配给铁管材12热量的0.8-1.2倍。开始焊接时，在铜管材11和铁管材12内部通入N₂气，通过控制夹具3按图中所示箭头缓慢同步转动铜管材11和铁管材12，焊枪喷嘴21发出的脉冲氩弧使对接口13的金属沿周向依次逐点熔融，同时向对接口13吹Ar气，此时脉冲冲击力及Ar气流的搅动使得熔融的铜、铁充分混合，最后冷却，整个对接口13形成含有低于10wt％的固溶体的铜铁混合体，从而被密封焊接。或者，也可以焊枪喷嘴21转动，而铜管材11和铁管材12不动。

实施例2

压缩机排气管1如图1所示，由铜管材11和铁管材12对接焊接而成。在本实施例中制备压缩机排气管1采用的是超声波氩弧焊机4。铜管材11和铁管材12两者对接口的截面积之比为1.5，根据Q’_{高熔点金属}-△Q_{高熔点金属}＝n(Q’_{低熔点金属}-△Q_{低熔点金属})，n小于0.9。首先将铜管材11和铁管材12按对接的位置关系固定安装于夹具3上，焊接前铜管材11和铁管材12端口接触，对接口13无需焊料。当铜管材11与铁管材12端口接触时，在铜管材11另一端部和铁管材12的另一端部分别施加方向相对的作用力F，使铜管材11和铁管材12对接口处在整个焊接过程中保持接触。然后确定对接口13与焊枪喷嘴41的相对位置，然后铜管材11与铁管材12同步回转或着焊枪回转。在本实施例采用的供热设备是双焊枪，两把焊枪的输出热量分别独立控制，输出较高热量的一把焊枪喷嘴41对应加热铜管材11端口，控制温度让铜自熔；输出较低热量的另一把焊枪41对应加热铁管材12端口，控制温度让铁自熔，同时两把焊枪的对应的铜管材11和铁管材12对接口的起点相同。开始焊接时，在铜管材11和铁管材12内部通入N₂气，通过控制夹具3按图中所示箭头缓慢同步转动铜管材11和铁管材12，焊接电弧42使对接口13的金属沿周向依次逐点熔融，同时向对接口13吹Ar气，此时超声波的冲击力及Ar气流的搅动使得熔融的铜、铁充分混合，最后冷却，整个对接口13沿周向形成含有低于10wt％的固溶体的铜铁混合体，从而被密封焊接。或者，也可以焊枪喷嘴41转动，而铜管材11和铁管材12不动。

实施例3

在本实施例中，压缩机排气管由铁管材和不锈钢管材对接焊接而成。在本实施例采用的供热设备是单焊枪，使焊枪喷嘴往铁管材方向偏移。偏移量按两种金属最终熔解的热量来确定，其他同实施例1。

实施例4

在本实施例中制备压缩机排气管1的铁管材12对接处端口附着有镍层，其他同实施例2。

焊接时使铜管材11和铁管材12对接口的金属熔融融合，且三者充分混合，形成含有少量固溶体的铜-铁-镍混合体，从而被密封焊接。

实施例5

在本实施例中，焊接时采用送丝焊接，向铜管材11和铁管材12对接处送镍丝，其他同实施例1。

焊接时使铜管材11和铁管材12对接口金属以及送到的镍丝熔融融合，且三者充分混合，形成含有少量固溶体的铜-铁-镍混合体，从而被密封焊接。

Claims (6)

1.一种异种金属管材的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将两根异种金属管材对接，所述的异种金属管材为铜管材与铁或不锈钢管材，两者对接口的截面积之比为0.6～5，管材同步回转或焊枪回转，通过氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊或二氧化碳保护焊使对接口处的异种金属熔融，并对已熔融金属施加Ar气流搅动使其混合，其中，根据Q’_{高熔点金属}-△Q_{高熔点金属}＝n(Q’_{低熔点金属}-△Q_{低熔点金属})，n等于0.90～1.1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；n大于1.1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；n小于0.9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_{1高熔点金属}/m_{高熔点金属}+Q_{2高熔点金属}/m_{高熔点金属}，Q’_{低熔点金属}＝Q_{1低熔点金属}/m_{低熔点金属}+Q_{2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，m为金属需要熔化那部分的质量，Q₁为绝热状态下m质量的金属熔化所需的热量，Q₂为该质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量；△Q＝△Q₁+△Q₂，△Q₁＝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_预热为绝热状态下金属升温至预热温度的热量，△Q₁为单位质量的金属升温至预热温度的热量，△Q₂为单位质量的金属由于热传导、热辐射、热对流损失的那部分热量，△Q为单位质量的金属升温并维持在预热温度所需的热量，为正值，焊接前无预热则△Q为0；(2)冷却，异种金属对接口处的已熔融金属形成含有低于10wt％铜铁固溶体的铜铁混合体。

2.根据权利要求1所述的异种金属管材的焊接方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，对异种金属管材对接口处的金属进行熔融时，对接口留有间隙、或接触、或接触且对异种金属管材沿轴向方向施加相对的压力。

3.根据权利要求1所述的异种金属管材的焊接方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在异种金属管材内部通入保护性气体；或在异种金属管材内部和外部同时通入保护性气体。

4.根据权利要求1所述的异种金属管材的焊接方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铜管材和铁或不锈钢管材两者对接口的截面积之比为0.6～5，采用氩弧焊、等离子焊、准离子焊、激光焊或二氧化碳保护焊，所述的供热设备为单焊枪时，该单焊枪喷嘴的加热区域往铜管材偏移；或者，所述的供热设备为双焊枪时，输出较高热量的焊枪喷嘴对应处理铜管材；或者，所述的供热设备为单环形多焊枪结构，该单环形焊枪的加热区域往铜管材方向偏移；或者，所述的供热设备为双环形多焊枪结构，输出较高热量的环形多焊枪喷嘴对应处理铜管材。

5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的异种金属管材的焊接方法，其特征在于：所述的异种金属管材的端口附着有第三者金属层或者在对接口处添加第三者金属，焊接时三者自熔并均匀混合形成三者金属混合体。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述焊接方法应用压缩机或空调器领域。