CN105522272A - 铜铝端面的摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铝端面的摩擦焊接方法，包括有以下步骤：S1、在带有铜端面或铝端面的待焊接物的铜端面或铝端面上，形成若干同心的圆环形或圆形的凸台，凸台的截面为下底与铜端面或铝端面相接的梯形；S2、除去凸台的棱角部分；S3、对铜端面或铝端面进行酸洗，除去表面氧化层；S4、将铜端面或铝端面摩擦焊接于另一带有铝端面或铜端面的待焊接物。通过在铜端面和铝端面上设置凸台和凹槽相拼合，增加了接合面积；进一步通过在摩擦焊接前和摩擦焊接时对铜端面和铝端面进行处理，减少了氧化物杂质进而提高了接合强度。

Description

铜铝端面的摩擦焊接方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦焊接方法，特别涉及一种铜铝端面的摩擦焊接方法。

背景技术

摩擦焊接是指的在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性变形与流动，通过界面的扩散及再结晶冶金反应而实现连结的固态焊接方法。此方法对于给定的材料，在足够的摩擦压力和足够的运动速条件下，被焊材料温度不断上升，伴随摩擦过程的进行，工件亦产生一定的变形量，从而实现材质间的固相连接。

目前，传统的摩擦焊通常采用机械式控制方法，在铜、铝焊接面加工采用车平的方式然后再进行摩擦焊接，这样的方式由于对接触面之间的结合面积受到端面面积的限制，在某些端面面积较小的接合作业中往往容易造成接合不牢固的后果(例如直径较小的棒状待接合物)，且，对接触面的平整度也有较高要求。

有鉴于此，专利文件(公开号103831525A)公开了一种电器开关用铝棒与铜环摩擦焊装置及方法，通过在铝棒的表面进行预处理并通过在铝棒上加工焊接花纹，焊接花纹在接合时起到一个类似于粘接材料的作用并且可以摩擦铜环上的接合部位以使得接合后铜和铝相互更好的熔合。

但该方法存在有以下缺陷，一方面，焊接花纹所能产生的多余的接合面积是极为有限的，且，由于铝材质的物体上的花纹所增加的摩擦系数往往不稳定的，使得加工中对压力的控制更难以实现；另一方面，焊接花纹带来的焊接面表面沟回在氧化后容易存在难以去除的氧化物，这些氧化物的存在会极大的危害接合强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的摩擦焊接方法摩擦系数不稳定、接合面积较低且存在氧化物杂质造成接合强度低的缺陷，提供一种摩擦系数更稳定、接合强度更高的铜铝端面的摩擦焊接方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种铜铝端面的摩擦焊接方法，其特点在于包括有以下步骤：

S1、在带有铜端面或铝端面的待焊接物的所述铜端面或所述铝端面上，形成若干同心的圆环形或圆形的凸台，所述凸台的截面为下底与所述铜端面或所述铝端面相接的梯形；

S2、除去所述凸台的棱角部分；

S3、对所述铜端面或所述铝端面进行酸洗，除去表面氧化层；

S4、将所述铜端面或所述铝端面摩擦焊接于另一带有铝端面或铜端面的待焊接物。

此处，通过在待焊接物的铜端面或铝端面上设置凸台，在摩擦焊接时，凸台在高温下变软，梯形上底嵌入另一待焊接物并同时靠近下底的部分充当粘接物。除去凸台的棱角部分是防止拐角位置产生气泡增强接合强度，并且使得量产时每一待焊接物的端面的摩擦系数更为稳定，使得施加于摩擦焊接面的轴向压力可控。

另外，酸洗在此处的定义为广义，可以是硫酸、氢氟酸等酸溶液冲洗，也可以包括使用氢氧化钠等碱水冲洗在内。

较佳的，所述S1和所述S3之间还包括有S11：

在另一带有铝端面或铜端面的待焊接物的铝端面或铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽；

所述S2为：除去所述凸台和所述凹槽的棱角部分。

此处，对应凸台增加凹槽可以进一步增加相接触的端面间的接触面积。

较佳的，所述S11为：在另一带有铝端面或铜端面的待焊接物的铝端面或铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽，其中，所述凸台和所述凹槽的腰部之间在拼合后留有间隙。

此处，对于车削等加工方式形成的凸台和凹槽，若要求其形状完全匹配，对车削等加工工艺的精度要求会很高，增加了加工成本。因此在凸台和凹槽的梯形截面的腰部之间预留有间隙可以降低加工成本。

较佳的，所述S2为：通过抛光作业除去所述凸台和所述凹槽的棱角部分。

较佳的，所述凸台和所述凹槽通过车削形成。

较佳的，所述S1为在带有铝端面的待焊接物的所述铝端面上，形成若干同心的圆环形或圆形的凸台，所述凸台的截面为下底与所述铝端面相接的梯形；

所述S11为：在带有铜端面的另一待焊接物的铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽；

所述S4为：将所述铝端面摩擦焊接于所述另一待焊接物导电所述铜端面。

此处，由于纯铜是面心立方，滑移面多，其延展性要高于铝，因此铜端面更宜作为接受冲击的端面。

较佳的，所述S3和S4之间包括有S31：

在所述凸台上垫设有一铜箔，所述铜箔的厚度大于所述间隙。

较佳的，所述S3和S4之间包括有S31：

在所述凸台上设有一镀铜层，所述镀铜层的厚度大于所述间隙。

此处，在铝端面上设置厚度大于间隙的铜箔或镀铜层，可以在摩擦焊接时进一步减少气泡的产生。

较佳的，所述S4为：将所述铝端面摩擦焊接于所述另一待焊接物导电所述铜端面时，对所述铝端面和所述铜端面的结合处施加还原气体气流。

此处，由于摩擦焊接时通常要求在高温环境下进行以使得不同硬度的金属接合物更好的接合，这样一来，金属被氧化的速率会增加。对此，一般可以采用惰性气体保护的方式，但惰性气体无法对已产生氧化的金属还原。因此本发明采用还原气体通过在摩擦焊接过程中持续喷射于接合部位，一旦金属被氧化即会被还原为金属。还原气体可以采用氢气等，氢气与氧结合产生的水在高温环境下为气态且无污染。

较佳的，所述S2为：通过抛光作业使得所述凸台和所述凹槽的棱角部分和凹陷部分分别形成平滑的凸弧面和凹弧面。

本发明的积极进步效果在于：通过在铜端面和铝端面上设置凸台和凹槽相拼合，增加了接合面积；进一步通过在摩擦焊接前和摩擦焊接时对铜端面和铝端面进行处理，减少了氧化物杂质进而提高了接合强度。

附图说明

图1为本发明实施例1的铜铝端面的摩擦焊接方法的流程图。

图2为本发明实施例1～2的铝端面的俯视图。

图3为本发明实施例1～2的铝端面和铜端面接合的结构示意图。

图4为本发明实施例2的铜铝端面的摩擦焊接方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

图1为本发明实施例1的铜铝端面的摩擦焊接方法的流程图，如图1所示，实施例1所涉及的铜铝端面的摩擦焊接方法包括有以下步骤：

步骤100、在待焊接物(本实施例中为铝棒)的铝端面上，机床车削加工形成同心的两个圆环形和一个圆形的凸台，凸台的截面为下底与铝端面相接的梯形。图2为实施例1的铝端面的俯视图，如图2所示，铝棒101的铝端面上设置有凸台102。

步骤200、通过抛光机对凸台的棱角(包括腰与下底面夹角)部分进行抛光直至带有折角部分均形成平滑的弧面。

步骤300、对铝端面通过2％的氢氟酸溶液进行酸洗，对另一待焊接物(即铜棒103，见图3)的铜端面采用10％的硫酸进行酸洗，除去铜端面和铝端面表面的氧化层。

步骤400、在300°高温和惰性气体(如氩气)的保护下，将铝端面摩擦焊接于铜棒103的铜端面。图3为实施例1的铝端面和铜端面接合的结构示意图，如图3所示，在摩擦焊接时，铜棒103和铝棒101的旋转方向相反。

实施例2

图4为实施例2的铜铝端面的摩擦焊接方法的流程图，图2为实施例2的铝端面的俯视图，图3为实施例2的铝端面和铜端面接合的结构示意图，如图2～4所示，实施例2涉及的铜铝端面的摩擦焊接方法包括有以下步骤：

步骤1、在待焊接物(本实施例中为铝棒)的铝端面上，机床车削加工形成同心的两个圆环形和一个圆形的凸台，凸台的截面为下底与铝端面相接的梯形。如图2所示，铝棒101的铝端面上设置有凸台102。

步骤11、铜棒103的铜端面上车削形成与凸台的形状相匹配的凹槽(图中未示出)，其中，凸台和凹槽的腰部之间在拼合后留有2～4μm的间隙。

步骤2、通过抛光作业使得凸台和凹槽的棱角部分和凹陷部分分别形成平滑的凸弧面和凹弧面。

步骤3、对铝端面通过3％～8％的氢氧化钠溶液进行酸洗，对铜棒103的铜端面采用10％的硫酸进行酸洗，除去铜端面和铝端面表面的氧化层。

步骤31、在凸台上垫设有一铜箔，铜箔的厚度为5μm，铜箔面积大于铝端面，其在覆盖铝端面后露出的部分可以通过粘接剂粘合在铝棒的侧边，待整个摩擦焊接完成后用砂纸轻轻擦去即可。

步骤4、在300°高温和还原气体(本实施例为氢气)的保护下，将铝端面摩擦焊接于铜棒103的铜端面。图3为实施例1的铝端面和铜端面接合的结构示意图，如图3所示，在摩擦焊接时，铜棒103和铝棒101的旋转方向相反。此外，氢气的气流大小和流速可以根据实际需求进行人工调整。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，例如，不使用铜箔而是在铝端面的凸台上镀上一层铜等，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于包括有以下步骤：

S1、在带有铜端面或铝端面的待焊接物的所述铜端面或所述铝端面上，形成若干同心的圆环形或圆形的凸台，所述凸台的截面为下底与所述铜端面或所述铝端面相接的梯形；

S2、除去所述凸台的棱角部分；

S3、对所述铜端面或所述铝端面进行酸洗，除去表面氧化层；

S4、将所述铜端面或所述铝端面摩擦焊接于另一带有铝端面或铜端面的待焊接物。

2.如权利要求1所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S1和所述S3之间还包括有S11：

在另一带有铝端面或铜端面的待焊接物的铝端面或铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽；

所述S2为：除去所述凸台和所述凹槽的棱角部分。

3.如权利要求2所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S11为：在另一带有铝端面或铜端面的待焊接物的铝端面或铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽，其中，所述凸台和所述凹槽的腰部之间在拼合后留有间隙。

4.如权利要求3所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S2为：通过抛光作业除去所述凸台和所述凹槽的棱角部分。

5.如权利要求3所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述凸台和所述凹槽通过车削形成。

6.如权利要求3所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S1为在带有铝端面的待焊接物的所述铝端面上，形成若干同心的圆环形或圆形的凸台，所述凸台的截面为下底与所述铝端面相接的梯形；

所述S11为：在带有铜端面的另一待焊接物的铜端面上形成与所述凸台的形状相匹配的凹槽；

所述S4为：将所述铝端面摩擦焊接于所述另一待焊接物导电所述铜端面。

7.如权利要求6所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S3和S4之间包括有S31：

在所述凸台上垫设有一铜箔，所述铜箔的厚度大于所述间隙。

8.如权利要求6所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S3和S4之间包括有S31：

在所述凸台上设有一镀铜层，所述镀铜层的厚度大于所述间隙。

9.如权利要求6～8中任一项所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S4为：将所述铝端面摩擦焊接于所述另一待焊接物导电所述铜端面时，对所述铝端面和所述铜端面的结合处施加还原气体气流。

10.如权利要求4所述的铜铝端面的摩擦焊接方法，其特征在于，所述S2为：通过抛光作业使得所述凸台和所述凹槽的棱角部分和凹陷部分分别形成平滑的凸弧面和凹弧面。