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銅-鋁的摩擦焊接工藝

發表時間:2018-11-14 08:25

銅鋁接頭


關鍵詞:銅-鋁焊接;電力;摩擦焊;焊接工藝

    1.銅-鋁高溫摩擦焊

焊前先將銅件前端加工成錐角,銅、鋁焊接表面用銼刀清理干凈。在焊接過程中為了防止鋁在接頭處變形流失,以及鋁、銅試件由于受壓失去穩定而產生彎曲變形,采用模子對銅、鋁進行封閉加壓。其焊接工藝規范如表1

1   -鋁高溫摩擦焊工藝規范

接頭直徑(mm

轉數(r/min

摩擦壓力

N/mm2

摩擦時間(s

頂鍛壓力(N/mm2

端面錐角

備注

8~50

1300~3000

20~100

3~10

150~300

60°~120°

銅、鋁兩端采用模子

采用表1中的工藝規范焊接的接頭,在靜載拉伸時大多數都斷于鋁母材,并可以彎曲成180°角。這種接頭成功地用于變電站戶外多股設備銅端子和鋁導線的連接。大型高溫電爐的銅母線的面積為250×20=5000 mm2鋁母線的面積為250×30=7500 mm2采用8個直徑為30mm的銅-鋁摩擦焊接頭并聯,做為過渡段,再用碳弧焊連接兩頭的銅-銅和鋁-鋁接頭。這種摩擦焊-碳弧焊的大型銅-鋁母線接頭,在高溫及冷卻水的噴澆和腐蝕性物質的作用下,使用壽命超過了十年,比原來銅-鋁碳弧焊接頭的壽命(三個月)提高了四十多倍。

-鋁高溫摩擦焊接頭,經得起靜載的彎曲、拉伸試驗和生產運行的考驗。但是,在生產實踐中,還要求銅-鋁接頭能經得起反復彎曲、沖壓和鍛壓試驗。為了擴大銅-鋁摩擦焊的應用,常常要求把圓斷面接頭鍛壓成各種所需要的形狀和尺寸,因此接頭的鍛壓性能是非常重要的。可是在進行新的試驗時,發現有接頭脆斷。

由銅-鋁系平衡圖指出,當銅中含鋁量超過9.4%,和鋁中含銅量超過5.9%時,由于其中含有大量的金屬化合物(Cu9Al4,CuAl2)而使合金變脆。銅-鋁接頭的脆斷,主要是由于加熱溫度過高和加熱時間過長,在接頭中產生銅-鋁脆性合金層所引起的。

按銅-鋁摩擦焊接頭脆斷的特點,其原因分析如下:

在銅-鋁摩接頭的摩擦加熱過程中,高速摩擦塑性變形層最初在銅-鋁摩擦表面,以后過渡到鋁材的內部,形成鋁-鋁的摩擦。表1中所用的焊接工藝規范,都可能使摩擦焊接表面的溫度超過銅-鋁共晶點548℃,達到鋁的熔點660℃。這樣的高溫使接頭中形成了大量的脆性組織,使接頭產生脆斷。

-鋁高溫摩擦焊是產生銅-鋁脆性合金的根源,想要消除脆性合金層,要求必須改變焊接工藝。

2.銅-鋁低溫摩擦焊

低溫摩擦焊工藝的特點是轉速低,摩擦壓力大,摩擦時間達到穩定摩擦階段,頂鍛壓力大。為了增大后峰值摩擦扭矩、增加接頭的變形量,用以破壞摩擦表面上的脆性合金薄層和氧化薄膜,摩擦加熱結束主軸停車時通常不制動。焊前銅件前端無錐角。為了提高材料的塑性和改善焊接質量,焊前要對銅、鋁進行退火,并仔細清理焊接表面上的油污和氧化膜。

接頭直徑Φ6~40mm的銅-鋁低溫摩擦焊接工藝規范見表2。試驗證明,銅-鋁低溫摩擦焊接表面的溫度低于548℃(共晶點),被控制在460~480℃附近。同時保證了銅-鋁焊接表面充分的塑性變形。在銅-鋁低溫摩擦焊接頭中沒有脆性合金層,接頭金屬充分的塑性變形促進了銅-鋁原子的擴散,提高了接頭的焊接質量。

2  -鋁低溫摩擦焊工藝規范

接頭直徑(mm

轉數(r/min

摩擦壓力

N/mm2

摩擦時間(s

頂鍛壓力(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  -鋁件在模子口外的伸出量

通過大量的試驗證明,接頭的機械性能和鍛壓性能十分良好。直徑為10mm接頭焊后的機械性能(試件1),焊后冷壓變形量達50%以后的機械性能(試件2),為滿足接頭安裝時焊接加熱的需要,焊后經冷壓再加熱200℃、保溫10min后的機械性能(試件3)見表3。接頭的熱穩定性試驗結果和老化試驗結果也都十分良好。為了防止接頭在高溫下工作產生脆性合金層,長期的工作溫度不能超過200℃。

3  -鋁低溫摩擦焊接頭(Φ10mm)的機械性能

試件

檢驗項目

檢驗結果

備注

1

ób N/mm2

91.5~108.5

全部拉斷在鋁母材上

2

133~134

全部拉斷在鋁母材上

3

126~129

全部拉斷在鋁母材上

1

彎曲角度

180°

全部接頭彎曲180°角以后,又反向彎曲360°角,在鋁母材上出現裂口

2

180°

全部在鋁母材上出現裂口,未斷

3

180°

全部在鋁母材上出現裂口,未斷

1

沖壓角度

152°~156°

全部未沖斷

2

134°~145°

全部未沖斷

3

140°~144°

全部未沖斷

   3.摩擦焊接表面溫度

   摩擦焊接表面溫度就是摩擦焊熱源的溫度,將直接影響接頭的加熱溫度和溫度分布,影響接頭金屬的變形和擴散。在摩擦加熱過程中,摩擦表面還能通過對摩擦系數的影響而調整摩擦加熱功率,使加熱功率和熱源的溫度處于平衡狀態。

焊接試驗和生產實踐證明,當工件直徑增大,轉數增高,摩擦壓力增大時,摩擦焊接表面的溫度升高。否則摩擦焊接表面的溫度降低。可是,不論摩擦條件作何種變化,同種金屬焊接時,摩擦焊接表面的最高溫度,不超過被焊金屬的熔點;異種金屬焊接時,摩擦焊接表面的溫度,不超過低熔點金屬的熔點。焊接銅-鋁時,摩擦焊熱源的溫度低于或等于鋁的熔點(660℃),見表4

4  -鋁摩擦焊接表面(熱源)的溫度

試件

焊接材料

試件直徑(mm

轉數(r/min

摩擦壓力

N/mm2

焊接材料熔點

(℃)1

焊接表面實測溫度(℃)

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  焊接異種金屬時,材料的熔點是指低熔點金屬的熔點

4.用鋁代銅,最關鍵的技術就是銅鋁的接焊問題

銅的熔點是1083攝氏度,鋁的熔點是660攝氏度,這相差400多攝氏度的熔點,形成的結果就是鋁化了,銅可能還只是發軟。更困難的是,鋁還會天然地在表面生成氧化膜,由于制冷管路有潔凈度要求,這層氧化膜不能用添加助劑的方法清除,也很難用物理方法清除,而這層氧化膜的熔點又達2000攝氏度,這三個不同的熔點,致使銅鋁焊接極易形成虛焊甚至焊不上。以前,采用一些特種焊接方法,如電阻焊、擴散焊、儲能焊、閃光焊等方法,通過施加焊接助劑,也可以實現銅-鋁焊接,但這些方法由于成本高、工藝復雜、合格率低,不適合工業化生產。

銅-鋁摩擦焊的發明、制造,實現了銅、鋁焊接。同時,銅-鋁摩擦焊工藝具有焊接質量好、效率高、穩定、節能、環保、省材等優點,且易實現機械化、自動化和流水線,操作簡單,容易掌握和維護。因此,用摩擦焊代替了原來的焊接方法,并在各大企業投入使用,經濟技術效果相當好。

參考文獻:

1.寧裴章,才蔭先,《摩擦焊》,機械工業出版社,1983

2.杜隨更,摩擦焊接工藝新進展,《焊接技術》,2000

3銅鋁焊接技術難題攻克,網上


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