銅/鋁連續驅動摩擦焊研究

2015-04-29 00:00:00劉強解念鎖

科技創新與應用 2015年9期

摘要：為了以鋁代替銅，節約銅材料和銅資源，對工業純鋁和工業純銅異種材料進行了連續驅動摩擦焊接。應用彎曲試驗，拉伸試驗和金相分析方法，研究了連續驅動摩擦焊接頭的抗彎曲性能，抗拉伸性能及顯微組織特點。結果表明，鋁-銅連續驅動摩擦焊接頭在室溫下彎曲90°后，鋁和銅的結合面結合良好，接頭區變形過渡均勻，接頭結合區無裂紋，具有良好的抗彎強度。鋁-銅拉伸試樣在鋁側伸長斷裂，鋁-銅焊縫區的抗拉強度比母材鋁高。鋁-銅焊縫區金相組織清晰可見，結合面較平直潔凈，金屬間化物很少。

關鍵詞：銅；鋁；連續驅動摩擦焊；力學性能

前言

隨著現代科學技術的發展，電氣工業，電信工業，機械工業、冶金工業需要更多的銅材料和銅產品。工業純銅和銅合金具有高的導電性，高的導熱性，所以它是電纜、電氣開關等電氣設備制造最常用的材料[1，2]。然而，銅資源的短缺，銅的高價格對電力企業帶來了巨大的成本壓力。為了節省銅資源，促進電信行業和電氣工業的可持續發展[3]，應用鋁代替銅，對鋁和銅進行連接是至關重要的，它不僅可以降低生產成本，而且可以減少工件的重量。在制冷行業采用鋁管替代銅管制造零件可以降低產品的市場價格[4]。在工業應用中，可用于銅和鋁焊接的方法主要包括冷壓焊接法，摩擦焊焊接法，擴散焊焊接法，爆炸焊焊接法，電阻焊焊接法，激光焊焊接法，釬焊焊接法等。對于鋁和銅異種材料而言，銅和鋁的連續驅動摩擦焊接過程連接具有固態焊接的特點，它適用于鋁管和銅管的焊接，鋁管和銅板的焊接，銅桿和鋁桿的焊接，銅桿和鋁合金管的焊接[5]。銅和鋁具有較高的熱擴散系數，銅和鋁異種材料摩擦焊接最重要的問題是在接頭界面脆性金屬間化合物相。在接合界面的金屬間相存在降低了焊接部分的強度和耐蝕性能[6]。銅和鋁的連續驅動摩擦焊接可以縮短焊接時間，熱影響區小，降低能量消耗，減少結合面化合物，對導電性和導熱性影響小，有利于提高銅和鋁焊接強度[7，8]。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

焊接材料選用工業純銅棒和工業純鋁棒，這種化學成分的銅和鋁能滿足電力行業、電信行業和電氣設備零件的要求。

1.2 實驗方法

采用C320型連續驅動摩擦焊機對銅和鋁棒材進行摩擦焊接實驗，分析連續驅動摩擦焊接參數對焊接性能的影響。應用WAW-1000型微機伺服電子拉伸試驗機進行銅和鋁焊接件的拉伸性能試驗。彎曲試驗時，將銅-鋁連續驅動摩擦焊件加工成棒料，然后將焊接接頭在室溫下彎曲90°，觀察彎曲試樣拉應力側和壓應力側的宏觀形貌和微觀組織。應用epiphot-300u倒置顯微鏡分析焊接結合區附近的金相組織特點，對于焊接接頭采用雙重腐蝕劑。應用數控機床加工彎曲試樣和拉伸試樣。用于連續驅動摩擦焊試驗參數為摩擦時間為4s，摩擦壓力為60MPa，頂鍛時間15s，頂鍛壓力為120MPa。

2 實驗結果與分析

2.1 銅和鋁的連續驅動摩擦焊彎曲試驗

將銅-鋁連續驅動摩擦焊接試樣加工成棒料，保持棒料表面有一定的光潔度，銅-鋁結合面大約在中間附近。圖1是銅-鋁連續驅動摩擦焊棒狀試樣及彎曲90°試驗后的宏觀照片。由圖1可知，彎曲試驗時，雖然試樣表面的一側被拉長，受到很大的拉應力，另一側被壓縮，受到很大的壓縮應力，但摩擦焊鋁和銅焊接接頭無周向裂紋和軸向裂紋，銅和鋁的結合面沒有撕裂，結合良好，焊接質量良好。由于鋁的硬度低，強度低，銅的硬度高，強度高，所以鋁-銅焊接試樣表面的鋁一側被明顯拉長，變形清晰，并且在鋁-銅結合面形成臺階，鋁側尺寸收縮，銅側尺寸變化不大。鋁-銅焊接試樣表面的鋁的壓應力區被明顯擠壓，表面的部分鋁向外被擠出，尺寸增大，部分鋁被壓縮到銅側。

2.2 銅和鋁的連續驅動摩擦焊接拉伸試驗

將銅-鋁連續驅動摩擦焊接試樣加工成標準拉伸試樣，鋁-銅結合面在中間部位，然后在拉伸試驗機進行拉伸試驗，直到拉斷。圖2是鋁-銅焊接件的標準拉伸試樣，以及鋁拉伸斷裂試樣的宏觀特征。由圖2可知，試樣在在鋁側伸長斷裂，這表明，焊縫區鋁-銅結合面比母材鋁有較高的抗拉強度。在拉伸試驗中，試樣的橫截面受拉應力，鋁產生較大的塑性變形，在銅側產生很小的變形。鋁及鋁合金具有優良的物理性能，一定的機械性能，所以鋁的斷裂面積很小，斷面收縮率很高，并具有良好的塑性斷裂特征。銅-鋁連續驅動摩擦焊接試樣結合區金相組織分析表明，鋁-銅焊縫區金相組織清晰可見，結合面較平直潔凈，金屬間化物很少。

圖1 銅/鋁連續驅動摩擦焊彎曲試樣

圖2 銅/鋁連續驅動摩擦焊拉伸試樣

3結束語

（1）當用摩擦焊接參數的摩擦時間為4s，摩擦壓力為60MPa，頂鍛時間為15s，頂鍛壓力為120MPa，鋁-銅連續驅動摩擦焊的焊接質量良好。

（2）鋁-銅連續驅動摩擦焊接頭具有良好的抗彎強度，室溫彎曲90°后，焊縫結合區無裂紋。

（3）鋁-銅連續驅動摩擦焊接頭具有良好的抗拉強度，拉伸斷裂后，在鋁側斷裂，焊縫結合強度比鋁的抗拉強度高。

（4）焊縫區沒有明顯的金屬間化物，焊縫結清，結合良好。

參考文獻

[1]張滿.鋁/銅異種材料焊接的研究現狀[J].熱加工工藝，2009，38（9）：116-119.

[2]亓永新，楊瑞鵬.鋁銅焊接進展[J].焊接技術，2000，29（5）：4-5.

[3]龍偉民，張雷，程亞芳.鋁與銅連接技術的研究[J].金屬加工，2008 （12）：47-49.

[4]趙越，黃幸川，左鐵軍.實現鋁代銅是制冷行業發展的必然趨勢[J].家電科技，2007（9）：35-37.