CN114952204A - 一种铜铝复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜铝复合焊接方法。本发明要解决的技术问题是提供一种焊接成功率高的铜铝复合焊接方法。本发明采用的技术方案:步骤一：取一块铜块和铝块均裁切成所需的大小，将所述铜块的焊接面磨平和所述铝块的焊接面磨平；步骤二：将所述铜块的焊接面和所述铝块的焊接面均匀的涂上助焊剂并将所述铜块的焊接面和所述铝块的焊接面进行整合；步骤三：固定在机器的模具上；步骤四：进行加压，使得所述助焊剂排出并一直保持压力直至焊接结束；步骤五：将温度一次性升到540℃—580℃范围内，并一直保持所述温度范围直至焊接结束。本发明的优点在于：能进行铜和铝的大面积焊接，焊接的流程少，焊接成型时间短，焊接成本低。

Description

一种铜铝复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种铜铝复合焊接方法。
背景技术
铜是一种具有优良导电导热性能的金属，广泛应用于各行各业。由于铜的密度较高，用铜制作的产品重量较重，这给铜产品的运输和使用带来了很大的不便。尤其是随着铜资源的严重短缺，使铜原料的采购成本居高难下。铝的导电导热性能仅次于铜的金属，虽然它的导电能力只有铜的三分之二，但密度只有铜的三分之一。因其重量较轻，常被电力工业和电子工业选用。尤其是铝资源丰富、储量大、分布广、价格低廉，只相当于铜价的四分之一，而且铝具有同样优良的耐腐蚀和柔韧性, 因此铜铝复合材料在工业领域中应用非常广泛，特别是在电力金具中。
因为铜、铝的熔点相差约400℃，直接焊接会破坏铝的晶相，导致铝的脆性增加、延展性降低，导致铜铝焊接处脆化、虚焊且极易产生裂纹和裂口。
目前市场上传统的铜铝焊接方法有以下几类：1用挂锡和熔锡的方法焊接铜铝，这种方法成型不好，没有很好的强度，由于锡的熔点低又不能焊接在高温工作下的工件，所以此种工艺只适合低温条件下的小工件上使用(只适用于多股铜线和小规格铝漆包线的焊接)，很难应用到铜排等较大体积的产品生产中； 2用闪光焊、摩擦焊、超声波焊等焊接方法焊接铜铝，焊接出来的接头脆性大,易产生裂纹且焊缝易产生气孔，焊接起来的工件难免出现断裂，出现断裂后就可能使导电体断路、使管道泄露，所以往往达不到实际生产中要求的效果。3用钎焊把铜和铝焊接在一起，通过钎焊工艺把钎料作为中间介质把铜和铝焊接在一起(实际上是发生冶金反应，钎料通过毛细作用渗入铜材和铝材分子结构中)，焊接后接头成型较好，抗拉抗剪性能及导电性耐腐蚀性较好，是目前常用的铜铝焊接方法，这种方法对于铝块和铜块的面积有较大限制，如果要焊接大面积的铝块和铜块则需要的机器体积非常大，成本非常高，而且只要在铜块厚度占比百分之10，铝块厚度占比百分之90的时候焊接出来的成品稳定性高，再对多余的铝进行切掉，超过该比例就会不稳定导致虚焊等问题，所以对于焊接材料也有较多的要求。
因此如何提高铜铝焊接的成功率，提高生产效率，实现铜块和铝块的大面积焊接，降低生产成本，一直是该领域的企业都在绞尽脑汁研发的方向。
发明内容
为解决上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、焊接成功率高的铜铝复合焊接方法。
本发明铜铝复合焊接方法采用的技术方案: 其特征在于：
步骤一：取一块铜块裁切成所需的大小，再取一块铝块裁切成所需的大小，将所述铜块的焊接面磨平和所述铝块的焊接面磨平；
步骤二：将所述铜块的焊接面和所述铝块的焊接面均匀的涂上助焊剂并将所述铜块的焊接面和所述铝块的焊接面进行整合；
步骤三：将整合好后的所述铜块和所述铝块固定在机器的模具上；
步骤四：进行加压，使得所述助焊剂排出并一直保持压力直至焊接结束；
步骤五：进行加温，将温度一次性升到540℃—580℃范围内，并一直保持所述温度范围直至焊接结束；
步骤六：进行焊接。
将步骤五所述温度一次性升到560℃，并一直保持所述温度为560℃直至焊接结束。
步骤一所述铜块的焊接面与所述铝块的焊接面均通过磨床磨平，所述铜块的焊接面表面粗糙度和所述铝块的焊接面表面粗糙度均小于或等于RA0.2。
步骤三所述整合好后的所述铜块和所述铝块为所述铜块置于铝块的正下方。
步骤二所述助焊剂包括下列重量份组成：
氟铝酸钾： 10份；
有机酸： 10~25份；
有机酸系非离子表面活性剂： 9~11份；
溶剂： 10~20份；
成膜剂： 5~15份；
三乙醇胺： 2~8份。
本发明铜铝复合焊接方法的优点在于：能进行铜和铝的大面积焊接，并且铜的厚度和铝的厚度可以任意比例无焊接要求，跟传统焊接工艺相比，其焊接成型无需添加其他过渡材料，焊接的流程少，焊接成型时间短，焊接成本低，焊接的稳定性高，焊接成型后的铜铝合金其抗拉抗弯性能优良，导电性能佳。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明铜块与铝块的分开状态图；
图2是本发明铜块与铝块的整平状态图；
图3是本发明铝合金表面涂有助焊剂的情况下不同吨位液压机加压与铝开始熔化温度变化关系图；
图4是本发明在保压以及助焊剂因素下随温度变化铜铝共晶层形成时间关系图；
图5是本发明采用常规方式焊接的铜铝块破坏性实验测试图；
图6是本发明采用铜铝复合焊接方法的铜铝块破坏性实验测试图；
图7是本发明实施例的铜块与铝块的分开状态图。
具体实施方式
如图1、如图2所示，本发明涉及的铜铝复合焊接方法，包括步骤一：取一块铜块1裁切成所需的大小，再取一块铝块2裁切成所需的大小，将所述铜块1的焊接面3和所述铝块2的焊接面4通过磨床磨平，所述铜块1的焊接面3表面粗糙度和所述铝块2的焊接面4表面粗糙度均小于或等于RA0.2，这样能使得所述铜块1的焊接面3和所述铝块2的焊接面4尽可能的平整没有瑕疵以便减少焊接缺陷。
步骤二：将所述铜块1的焊接面3和所述铝块2的焊接面4均匀的涂上助焊剂5并将所述铜块1的焊接面3和所述铝块2的焊接面4进行整合，所述助焊剂5主要用于消除金属表面的氧化膜，降低被焊接材质表面张力，促进铜块和铝块焊接的作用；
步骤三：将整合好后的所述铜块1和所述铝块2固定在机器的模具上；
步骤四：进行加压，使得所述铜块1和所述铝块2能紧密接触，所述铜块1和所述铝块2之间一直保持压力直至焊接结束，保压使得在焊接的过程中通过挤压将铜块1的焊接面3的内部杂质，铝块2的焊接面4的内部杂质通过助焊剂5从焊接的中心慢慢向外排出；
步骤五：进行加温，将温度一次性升到540℃—580℃范围内，并一直保持所述温度范围直至焊接结束，此温度范围能有效使得铝块2的焊接面4熔化，并实现铜块1和铝块2之间的焊接；如图3所示，该图为铝合金表面涂有助焊剂的情况下不同吨位液压机加压与铝开始熔化温度变化关系的实验数据图，铝的熔点约为660℃，在理论情况下是需要将温度升至660℃，铝才开始熔化，但是由于保压以及助焊剂的因素，实际生产实践中将温度升至500℃以上时铝块2的焊接面4就已经开始熔化，并与铜块1的焊接面3之间形成铜铝共晶层，因为铜铝共晶层的延展性和抗拉强度低，如果铜铝共晶层过厚则会导致铜块与铝块之间虚焊，但是由于保压的作用，一旦在焊接中心形成铜铝共晶体，多余的铜铝共晶体能及时随着助焊剂5被挤压而出，这使得焊接最终形成的铜铝共晶层比较薄，因此大大提高了焊接成功率，焊接后的成品性能优良。
铜铝共晶层的熔点在500℃左右，当温度低于500℃铜块1和铝块2之间是焊接不上的，当温度高于600℃时，由于保压以及助焊剂的因素，铝块2会全部熔化，会严重破坏铝的性能且焊接的时间大大提高，故超过600℃焊接效果不佳，因此在温度保持在540℃—580℃范围内，打破了传统需要将铝加热到660℃才能熔化的认知（一般人在铜铝焊接时由于理论的认知，通常会将温度加热到660℃以使得铝变成液态然后焊接在铜上或者直接采用钎焊等其他焊接手段进行焊接，这样严重损坏了铝的优良性能其焊接出来的产品不美观且性能不佳，即使有部分人可能想到加压的方式，但是却不知道压力需要加多大，温度需要保持多少才能不出现虚焊等焊接问题，只有经过不断的实验对焊接产品不断的验证才能得出最佳保持温度）同时该温度尽最大程度保留了铝的优良性能而且相比较与传统添加锡、钎料焊接相比较，由于铜的导电性>铝的导电性>钎料的导电性>锡的导电性，该方法采用铜铝直接复合焊接无其他辅助金属添加，其导电性能明显更加优良。
步骤六：进行焊接，得到铜铝合金成品，并对边上毛刺进行处理。
一个优选方案中，将步骤五所述温度一次性升到560℃，并一直保持所述温度为560℃直至焊接结束，如图4所示，该图为在保压以及助焊剂因素下随温度变化铜铝共晶层形成时间长短的实验数据图，温度保持在560℃时，铜块和铝块焊接形成共晶层的时间最短，焊接的效果最佳。
一个优选方案中，步骤三所述整合好后的所述铜块1和所述铝块2为所述铜块1置于铝块2的正下方，由于铝的熔点低，如果将铝放置下方，容易因上方压力使得铝变形严重，影响铜铝合金焊接后的成型效果。
一个优选方案中，步骤二所述助焊剂5包括下列重量份组成：
氟铝酸钾： 10份；
有机酸： 10~25份；
有机酸系非离子表面活性剂： 9~11份；
溶剂： 10~20份；
成膜剂： 5~15份；
三乙醇胺： 2~8份。
氟铝酸钾是助焊剂的主要成分，能够在熔融状态下，消除位于金属表面的氧化膜，能够使得浇注过程中，铜、银、铝在没有氧化膜的干扰下，能够起到更好的结合。
有机酸能够在高温下持续除去在金属表面产生的氧化膜，能够进一步保证了不同金属间的结合，同时因其较小的离子污染残留物和到高的表面抗绝缘性。
有机酸系非离子表面活性剂的加入主要是为了能够消除熔融浇注过程中产生的气泡，而离子型的表面活性剂往往会对金属有进一步腐蚀作用，非离子型着不会有这样的问题，进一步保护了金属材料。同时有机酸系的表面活性剂，往往与有机酸的结构相近，两者相容性较好，能够充分分散，同时在部分表面活性剂发生分解后，依然能够作为有机酸对整个浇注过程起到去除氧化膜的效果。
溶剂则是为了能够将上述若干种原料进行混合充分。
三乙醇胺主要用于调整其pH值。
成膜剂主要是为了使其在涂抹在铜表面和铝表面时，能够形成一层膜，防止其流失。
如图5所示，为采用常规方式焊接的铜铝块破坏性实验测试图，铜块11和铝块12焊接后，对其进行折弯测试，其折弯处容易出现开裂口13；如图6所示，为采用上述方法焊接的破坏性实验测试图，铜块11和铝块12焊接后，对其进行折弯测试，其折弯处连接紧密，无裂口，因此焊接效果好，抗弯性能好。
实施例一：如图7所示，
步骤一：根据客户尺寸需要，取一块400mmX200mm的铜块6和400mmX200mm的铝块7，所述铜块6的焊接面8和所述铝块7的焊接面9通过磨床进行磨平，使其表面粗糙度均小于或等于RA0.2；
步骤二：将述铜块6的焊接面8和所述铝块7的焊接面9都均匀涂上助焊剂，所述助焊剂包括下列重量份：氟铝酸钾： 20份；柠檬酸： 20份；聚氧乙烯脂肪酸酯： 10份；乙二醇：20份；聚乙二醇： 10份；三乙醇胺： 5份；
步骤三：将整合好后的所述铜块6和所述铝块7固定在20T的液压机的模具上，其中所述铜块6置于所述铝块7的正下方；
步骤四：进行加压，使得所述助焊剂排出并一直保持压力直至焊接结束；
步骤五：进行加温，将温度一次性升到560℃内，并一直保持560℃温度直至焊接结束；
步骤六：进行焊接，焊接时间为20S，然后取出铜铝合金成品，并对边上毛刺进行处理，焊接时间若低于20 S则容易焊不透，导致焊接不均匀，焊接时间若高于20S则容易焊过了，容易造成焊接后铜铝合金成的性能变差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铜铝复合焊接方法，其特征在于：
步骤一：取一块铜块（1）裁切成所需的大小，再取一块铝块（2）裁切成所需的大小，将所述铜块（1）的焊接面（3）磨平和所述铝块（2）的焊接面（4）磨平；
步骤二：将所述铜块（1）的焊接面（3）和所述铝块（2）的焊接面（4）均匀的涂上助焊剂（5）并将所述铜块（1）的焊接面（3）和所述铝块（2）的焊接面（4）进行整合；
步骤三：将整合好后的所述铜块（1）和所述铝块（2）固定在机器的模具上；
步骤四：进行加压，使得所述助焊剂（5）排出并一直保持压力直至焊接结束；
步骤五：进行加温，将温度一次性升到540℃—580℃范围内，并一直保持所述温度范围直至焊接结束；
步骤六：进行焊接。
2.根据权利要求1所述的铜铝复合焊接方法，其特征在于：将步骤五所述温度一次性升到560℃，并一直保持所述温度为560℃直至焊接结束。
3.根据权利要求1所述的铜铝复合焊接方法，其特征在于：步骤一所述铜块（1）的焊接面（3）与所述铝块（2）的焊接面（4）均通过磨床磨平，所述铜块（1）的焊接面（3）表面粗糙度和所述铝块（2）的焊接面（4）表面粗糙度均小于或等于RA0.2。
4.根据权利要求1所述的铜铝复合焊接方法，其特征在于：步骤三所述整合好后的所述铜块（1）和所述铝块（2）为所述铜块（1）置于铝块（2）的正下方。
5.根据权利要求1所述的铜铝复合焊接方法，其特征在于：步骤二所述助焊剂（5）包括下列重量份组成：
氟铝酸钾： 10份；
有机酸： 10~25份；
有机酸系非离子表面活性剂： 9~11份；
溶剂： 10~20份；
成膜剂： 5~15份；
三乙醇胺： 2~8份。
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