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铜-铝的摩擦焊接工艺

发表时间:2018-11-14 08:25

铜铝接头


关键词:铜-铝焊接;电力;摩擦焊;焊接工艺

    1.铜-铝高温摩擦焊

焊前先将铜件前端加工成锥角,铜、铝焊接表面用锉刀清理干净。在焊接过程中为了防止铝在接头处变形流失,以及铝、铜试件由于受压失去稳定而产生弯曲变形,采用模子对铜、铝进行封闭加压。其焊接工艺规范如表1

1   -铝高温摩擦焊工艺规范

接头直径(mm

转数(r/min

摩擦压力

N/mm2

摩擦时间(s

顶锻压力(N/mm2

端面锥角

备注

8~50

1300~3000

20~100

3~10

150~300

60°~120°

铜、铝两端采用模子

采用表1中的工艺规范焊接的接头,在静载拉伸时大多数都断于铝母材,并可以弯曲成180°角。这种接头成功地用于变电站户外多股设备铜端子和铝导线的连接。大型高温电炉的铜母线的面积为250×20=5000 mm2铝母线的面积为250×30=7500 mm2采用8个直径为30mm的铜-铝摩擦焊接头并联,做为过渡段,再用碳弧焊连接两头的铜-铜和铝-铝接头。这种摩擦焊-碳弧焊的大型铜-铝母线接头,在高温及冷却水的喷浇和腐蚀性物质的作用下,使用寿命超过了十年,比原来铜-铝碳弧焊接头的寿命(三个月)提高了四十多倍。

-铝高温摩擦焊接头,经得起静载的弯曲、拉伸试验和生产运行的考验。但是,在生产实践中,还要求铜-铝接头能经得起反复弯曲、冲压和锻压试验。为了扩大铜-铝摩擦焊的应用,常常要求把圆断面接头锻压成各种所需要的形状和尺寸,因此接头的锻压性能是非常重要的。可是在进行新的试验时,发现有接头脆断。

由铜-铝系平衡图指出,当铜中含铝量超过9.4%,和铝中含铜量超过5.9%时,由于其中含有大量的金属化合物(Cu9Al4,CuAl2)而使合金变脆。铜-铝接头的脆断,主要是由于加热温度过高和加热时间过长,在接头中产生铜-铝脆性合金层所引起的。

按铜-铝摩擦焊接头脆断的特点,其原因分析如下:

在铜-铝摩接头的摩擦加热过程中,高速摩擦塑性变形层最初在铜-铝摩擦表面,以后过渡到铝材的内部,形成铝-铝的摩擦。表1中所用的焊接工艺规范,都可能使摩擦焊接表面的温度超过铜-铝共晶点548℃,达到铝的熔点660℃。这样的高温使接头中形成了大量的脆性组织,使接头产生脆断。

-铝高温摩擦焊是产生铜-铝脆性合金的根源,想要消除脆性合金层,要求必须改变焊接工艺。

2.铜-铝低温摩擦焊

低温摩擦焊工艺的特点是转速低,摩擦压力大,摩擦时间达到稳定摩擦阶段,顶锻压力大。为了增大后峰值摩擦扭矩、增加接头的变形量,用以破坏摩擦表面上的脆性合金薄层和氧化薄膜,摩擦加热结束主轴停车时通常不制动。焊前铜件前端无锥角。为了提高材料的塑性和改善焊接质量,焊前要对铜、铝进行退火,并仔细清理焊接表面上的油污和氧化膜。

接头直径Φ6~40mm的铜-铝低温摩擦焊接工艺规范见表2。试验证明,铜-铝低温摩擦焊接表面的温度低于548℃(共晶点),被控制在460~480℃附近。同时保证了铜-铝焊接表面充分的塑性变形。在铜-铝低温摩擦焊接头中没有脆性合金层,接头金属充分的塑性变形促进了铜-铝原子的扩散,提高了接头的焊接质量。

2  -铝低温摩擦焊工艺规范

接头直径(mm

转数(r/min

摩擦压力

N/mm2

摩擦时间(s

顶锻压力(N/mm2

模外留量(mm1

6

1030

140

6

600

10

1

10

540

170

6

450

13

2

16

320

200

6

400

18

2

20

270

240

6

400

20

2

26

208

280

6

400

22

2

30

180

300

6

400

24

2

36

170

330

6

400

26

2

40

160

350

6

400

28

2

1  -铝件在模子口外的伸出量

通过大量的试验证明,接头的机械性能和锻压性能十分良好。直径为10mm接头焊后的机械性能(试件1),焊后冷压变形量达50%以后的机械性能(试件2),为满足接头安装时焊接加热的需要,焊后经冷压再加热200℃、保温10min后的机械性能(试件3)见表3。接头的热稳定性试验结果和老化试验结果也都十分良好。为了防止接头在高温下工作产生脆性合金层,长期的工作温度不能超过200℃。

3  -铝低温摩擦焊接头(Φ10mm)的机械性能

试件

检验项目

检验结果

备注

1

Ób N/mm2

91.5~108.5

全部拉断在铝母材上

2

133~134

全部拉断在铝母材上

3

126~129

全部拉断在铝母材上

1

弯曲角度

180°

全部接头弯曲180°角以后,又反向弯曲360°角,在铝母材上出现裂口

2

180°

全部在铝母材上出现裂口,未断

3

180°

全部在铝母材上出现裂口,未断

1

冲压角度

152°~156°

全部未冲断

2

134°~145°

全部未冲断

3

140°~144°

全部未冲断

   3.摩擦焊接表面温度

   摩擦焊接表面温度就是摩擦焊热源的温度,将直接影响接头的加热温度和温度分布,影响接头金属的变形和扩散。在摩擦加热过程中,摩擦表面还能通过对摩擦系数的影响而调整摩擦加热功率,使加热功率和热源的温度处于平衡状态。

焊接试验和生产实践证明,当工件直径增大,转数增高,摩擦压力增大时,摩擦焊接表面的温度升高。否则摩擦焊接表面的温度降低。可是,不论摩擦条件作何种变化,同种金属焊接时,摩擦焊接表面的最高温度,不超过被焊金属的熔点;异种金属焊接时,摩擦焊接表面的温度,不超过低熔点金属的熔点。焊接铜-铝时,摩擦焊热源的温度低于或等于铝的熔点(660℃),见表4

4  -铝摩擦焊接表面(热源)的温度

试件

焊接材料

试件直径(mm

转数(r/min

摩擦压力

N/mm2

焊接材料熔点

(℃)1

焊接表面实测温度(℃)

1

-

10

2000

90

660

580

2

-

10

2000

140

660

660

3

-

10

3000

90

660

580

4

-

10

3000

140

660

660

1  焊接异种金属时,材料的熔点是指低熔点金属的熔点

4.用铝代铜,最关键的技术就是铜铝的接焊问题

铜的熔点是1083摄氏度,铝的熔点是660摄氏度,这相差400多摄氏度的熔点,形成的结果就是铝化了,铜可能还只是发软。更困难的是,铝还会天然地在表面生成氧化膜,由于制冷管路有洁净度要求,这层氧化膜不能用添加助剂的方法清除,也很难用物理方法清除,而这层氧化膜的熔点又达2000摄氏度,这三个不同的熔点,致使铜铝焊接极易形成虚焊甚至焊不上。以前,采用一些特种焊接方法,如电阻焊、扩散焊、储能焊、闪光焊等方法,通过施加焊接助剂,也可以实现铜-铝焊接,但这些方法由于成本高、工艺复杂、合格率低,不适合工业化生产。

铜-铝摩擦焊的发明、制造,实现了铜、铝焊接。同时,铜-铝摩擦焊工艺具有焊接质量好、效率高、稳定、节能、环保、省材等优点,且易实现机械化、自动化和流水线,操作简单,容易掌握和维护。因此,用摩擦焊代替了原来的焊接方法,并在各大企业投入使用,经济技术效果相当好。

参考文献:

1.宁裴章,才荫先,《摩擦焊》,机械工业出版社,1983

2.杜随更,摩擦焊接工艺新进展,《焊接技术》,2000

3铜铝焊接技术难題攻克,网上


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