銅鋁接頭的電阻焊焊接

申建軍

（寧波辰佳電器有限公司 浙江寧波 315336）

1 引言

制冷系統中管路管口之間的連接和焊接是主要的工藝環節。最早制冷系統中的管子使用銅材料，純銅（常用TP2）導熱性好、耐腐蝕，加工工藝性好，便于實施簡單的火焰釬焊。但銅材料的價格比較貴，而且在不斷上升。于是人們使用更經濟一些的鋼材料，低碳鋼有較好的加工工藝性，也能夠很好的實施火焰釬焊，但最常用的薄壁焊接鋼管使用時間長了容易生銹，如果發生在箱體內部，造成內漏后，減少產品的使用壽命，使得箱體報廢。人們的目光又轉移到鋁材料，純鋁（常用L1060）比鋼的導熱性和耐腐蝕性好，便于加工成形，相同體積的鋁管與鋼管的價格相差不多。但鋁管的焊接工藝性差，生產現場無法實施火焰釬焊。

目前冰箱冷柜中鋁管主要用于蒸發器，管子兩端要連接銅管，一端連接銅過渡管，過渡管連接銅毛細管；另一端連接銅回氣管，回氣管另一頭接入壓機。鋁蒸發器兩端的銅鋁接頭的焊接成為一個產品制造的關鍵點。本文從實際應用的角度，在對銅鋁接頭的電阻焊焊接工藝深入實踐和研究的基礎上，總結了電阻焊焊接工藝中要注意的問題及解決辦法。

2 銅鋁接頭電阻焊特點

鋁的重量輕、耐腐蝕，特別在溫度低時，它的強度反而增加而無脆性，是理想的用于低溫裝置的材料。但在可焊性方面，有一系列不利因素：（1）鋁表面易被氧化成厚度0.1～0.2μm的致密的、比重約為鋁的1.4倍的AL2O3薄膜，其熔點是純鋁熔點的3倍以上，焊接時，易形成夾渣。（2）鋁在液態時能大量吸收和溶解氫，熔融狀態下和高溫凝固狀態下的溶解度相差近20倍。焊接后的快速冷卻過程中，來不及析出的氫氣易形成氣孔。（3）鋁的線膨脹系數和結晶收縮率比鋼大約一倍，焊接后有較大的變形和應力，加上某些雜質等的不利影響，易產生裂紋。（4）鋁由固態轉變為液態時，沒有明顯的顏色變化，不易判斷焊接溫度，常因溫度過高而導致燒穿等。

圖1

圖2

電阻焊是工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面產生的電阻熱，將接觸面加工到熔化或塑性狀態，使之形成金屬結合的一種焊接的方法。由于瞬間以很高的局部熱量形成金屬熔接的接頭，避免了一些鋁材料焊接時的不利影響。使用電阻焊的方法能夠較好的實現銅管和鋁管的焊接，其質量可靠，比過去使用的洛克令環連接的成本低，效率更高，便于成為流水線上的工序。因此，電阻焊成為生產現場銅鋁接頭的主要工藝方法。

在銅鋁接頭的電阻焊中，銅管和鋁管的外徑是一樣的或銅管的外徑略小于鋁管（≤0.5mm）。一般的，保持鋁管形狀不變，將銅管的管端縮口成一段圓柱面和一段圓錐面，縮口的圓柱面起定向作用，其外徑小于鋁管內徑以便插入鋁管中。實施焊接時，先將待焊的銅管和鋁管的管端插在一起（圖1）。然后，在相距6mm左右的兩組焊接夾具（焊接夾具起到對焊接管子定位、夾持和導電的作用）的槽中放正，鋁管的端口在鋁管夾具的內端面露出0.5mm。焊接時，夾持鋁管的夾具不動，夾持銅管的夾具向夾持鋁管的夾具靠近（靠近的距離即焊接的長度），施加橫向壓力加熱，銅管的圓錐面和鋁管的接觸面熔融成為一體（圖2），形成電阻焊焊接的銅鋁接頭。

圖3

圖4

圖5

3 要注意的問題和解決辦法

為了達到良好的焊接效果，有以下要注意的問題和解決辦法：

（1）銅鋁接頭電阻焊外觀上（內部的焊接結果在外部的表觀）要求的標準，如圖3所示。即鋁管的端部有整圈均勻熔化后的細小焊珠。焊接段表面有整圈的暗紋環，暗紋環的表面規矩，不允許凸凹不平（夾具邊緣造成的縱向模痕除外）。鋁管和銅管在焊接夾具中被夾持的表面不允許有任何的外傷。

電阻焊后，鋁管的端部未出現整圈均勻熔化后的細小焊珠，判斷為內部接觸面上未形成熔融，此接頭用力彎折后可以分開。這時要調整焊接參數。鋁管焊接段的外部沒有整圈的暗白色，其中沒改變顏色，保持原來光亮的地方（圖4），就一定會出現泄漏。這時要檢查夾具的夾持面上是否有凹坑。鋁管和銅管被夾持的表面有外傷，說明兩組夾具的軸線不一致，需要調整夾具位置。

接頭的內部要求達到圖5所示標準。鋁管和銅管有4～5毫米明顯的熔融區段。銅管內部表面不允許有過燒現象，端部不允許有任何焊瘤。

圖6

圖7

圖8

（2）每班正式工作前，首先焊接三個試件，試件焊接的外觀檢查通過后，要將接頭做十字形的分離（現場多用鋼鋸手工鋸開，圖6）。使用老虎鉗夾持其中鋁管的一瓣，與銅管進行剝離測試。均勻的四瓣中，不允許任何一瓣被剝離掉。如果被剝離掉，需要全面測量試件的幾何形狀及尺寸，進行焊接參數調整。然后再次進行焊接后的剝離測試，直至通過。

（3）對每一個焊口，都必須使用鹵素氣體檢漏或水試漏的方法進行檢測。水試漏時，要求水質清晰，有條件時水溫最好在50℃左右，焊口置放水面下10mm左右，管子內部充≥2.0MPa壓力的氮氣，時間1分鐘內，焊口不允許有任何氣泡逸出。如果檢漏時，發現超出正常焊漏率，要立即反饋到焊接工位。

（4）銅管的幾何形狀控制。銅管在加工前的直徑和圓度應符合GB/T 16866 銅及銅合金無縫管材外形尺寸及允許偏差[1]；根據我們的使用經驗，Φ6和Φ7銅管在加工后的圓度≤0.12毫米，一般可以達到良好的焊接結果。如果超出，要檢查及改進加工銅管時（如矯直下料機上）的夾具。銅管的壁厚在工藝條件好的情況下，可以薄一些，一般情況下使用0.6mm左右壁厚的。

（5）銅管的縮口要求。縮口的圓錐面徑向線性連續平整，縮口部分對稱，與管子的軸線平行一致。圓錐面長度7mm，總縮口長度11～12mm。縮口的圓柱面直徑≤鋁管內徑0.2mm，長度4～5mm，與管子的軸線平行一致。要達到上述要求，必須保證縮口機的縮口模具正常及正確操作。[2]

（6）鋁管的幾何形狀控制。被焊接的鋁管（實用中常為蒸發器管）管口，一般使用割管器割斷后形成，要求被割管端與軸線垂直、平整。在具體操作中，割管器刀口磨鈍后，往往出現縮口狀的毛刺（如圖7右邊管口，左邊是正確形狀），應注意及時更換刀片。對于割口已造成的內徑縮小的問題，做一個專用的頭部為錐形的工具，管口傾斜朝下后進行手工擠擴孔，將工具頭部深入管口后，反復擰幾下拔出，將其內徑擠大。

在生產中，也有使用美工刀刀片用力劃割約半圈，然后在刀痕處反復折2～3次，將割口折斷。這時要注意，劃痕盡可能深一些并與管子軸線垂直。

焊接操作時，注意觀察夾具夾持范圍內的管子有無彎曲，有彎曲時，首先應于矯直。不允許彎曲的管子進入夾具。

（7）待焊的管口內外部必須潔凈，不允許有油污、水分、塵屑等雜物。

（8）夾具調整及夾具調整輔助工具。電阻焊的焊接夾具的正常與否對于接頭焊接質量有主要的關系。夾具的槽徑與管子外徑要求一致。如果夾具夾持間隙過大（槽徑比管徑大），會造成電弧（打火），容易燒蝕管件或夾具。見圖8。槽徑小，則直接損傷管子。

圖9

圖10

圖11

鋁管夾具的軸線與銅管夾具的軸線同心。如夾具（電極）軸心不一致或端頭變形和磨損，均會導致焊接的接觸面積產生變化，由于夾具的接觸面積決定著電流密度，會引起焊點強度的變化。兩夾具中心不一致，焊口接觸不均勻，除了影響焊口質量外，也會對管子的外表面造成損傷（圖9），這也是判別兩夾具中心是否一致的目測方法。

如果夾具槽徑與管子外徑不吻合，它們之間的間隙不均勻，直接影響焊接質量。圖10是預熱電流小的時候的情況，可以明顯看到施焊的痕跡不連續。圖11是預熱電流大的時候的情況，可以明顯看到施焊的痕跡是不均勻的過燒。

調試夾具時，可以制作一根兩端分別與銅鋁夾具槽徑一致的鋼棒作為輔助工具。將鋼棒放入兩個下夾具的槽中（圖12）。從槽口與鋼棒的吻合度上看，確定銅鋁夾具的調整方向。兩個下夾具調整好后，再以它們為標準，調整兩個上夾具。

（9）一般可供用戶調整的焊接參數有2個：預熱電流和焊接電流，其數值在電阻焊機中無量綱單位。調整參數是為了達到管子接觸面良好的熔融效果。以一組經驗參考值為基礎，首先進行試焊，不斷觀察鋁管端達到整圈的暗紋和出現細小焊珠的情況變化。進行調整時，先調整預熱電流，看鋁管焊接段，判斷內部的熔融情況；然后調整焊接電流，直到出現整圈均勻的細小的焊珠，符合外觀標準為止。接著要做十字剖切剝離試驗，試驗后沒有問題，這組焊接參數基本固定。不更換夾具，這組參數也不需大的改變。需要注意的是，只要更換夾具，焊接參數一定要重新調整。

調整參數的關鍵是預熱電流和焊接電流在特定夾具及相對位置的條件下，達到合適的匹配。而不是單純的加大其數值。

（10）對夾具的維護和及時更換損壞的夾具。應保持夾具的清潔，一般情況下，清理鋁管夾具時，使用半圓細銼刀；清理銅管夾具時，使用硬毛刷即可。焊渣、碎屑和其他雜質會增大接觸電阻，對于局部的導通，由于電流密度過大，會產生電火花飛濺和表面燒損，夾具燒損后，直接影響焊口加熱的不均勻性，引起焊漏的發生。因此工作時隨時注意清理夾具表面的焊渣、碎屑、雜質等，保持夾具的良好狀態，是保證獲得優質接頭的必要條件。

對于已造成損壞的夾具（典型的如圖13）要及時更換，否則會引起批量的焊接質量問題。

（11）設備方面。電壓（電流）對產生熱量的影響比電阻和時間兩者都大。一般情況下，由于電網電壓波動，設備的輸入電壓也在變化。因此，在焊接過程中，注意根據電壓變化的幅度，進行焊接參數的微調。對于電壓波動范圍大的地區，必要時安裝穩壓電源。另外，保持氣缸運動順暢；從壓力表，觀察氣源壓力是否合格、穩定。夾具冷卻循環水路暢通。兩組夾具處的光線充足。

（12）操作者的培訓。主要是要熟悉焊接和焊件標準，熟練設備的操作使用，操作中的夾具維護——及時清理遺留或粘附在夾具槽中的焊渣、雜質等物，遵守安全操作事項和常見問題的處理等。

圖12

圖13

4 結論

通過以上各要注意的問題和解決辦法的控制和實施的基本實踐，在生產現場可以穩定達到銅鋁接頭電阻焊平均為1.2‰的焊漏率，最高不超過1.5‰，稍優于標準的手工火焰釬焊的焊漏率。這雖然距離萬分之二的理想焊漏率指標低了一些，原因是實際生產現場，在各注意點上還會或多或少存在有一定的差距。但我們認為1.2‰的焊漏率，對于普通家電企業的制冷產品制造還是完全可以接受的。

[1] GB/T 16866-2006 銅及銅合金無縫管材外形尺寸及允許偏差，北京：中國標準出版社,2007.8

[2] 申建軍，銅鋁接頭電阻焊中銅管縮口的工藝改進，北京：家電科技，2014.5.76-77