銅鋁高頻感應焊接工藝的探究

艷艷, , 新寬, , ,

(1.上海理工大學 材料科學與工程學院, 上海 200093;2.亞仕龍汽車科技(上海)有限公司, 上海 200433)

文章編號：2096-2983(2017)05-0260-06DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.003

銅鋁高頻感應焊接工藝的探究

王艷艷1,劉平1,劉新寬1,王子延2,王冰1,曹凱1

(1.上海理工大學 材料科學與工程學院, 上海200093;2.亞仕龍汽車科技(上海)有限公司, 上海200433)

運用新型感應加熱工藝,通過固-液-固相復合法制備銅/鋁復合材料.由于加熱功率和加熱時間會影響結合層厚度的形成,根據感應加熱原理及其焊接過程中焊接速度快、鋁融化溫度高以及銅鋁材料緊密接觸等特點,對已有焊接設備進行改進.使用直徑為0.1mm、可耐高溫的鎳鉻-鎳硅(NiCr-NiSi) 表面瞬態熱電偶對銅鋁接觸面之間的溫度進行測量,設計與制造了加熱時間控制器及熱電偶測溫裝置,得到在焊接過程中不同感應加熱功率條件下加熱溫度與加熱時間之間的工藝曲線,得知銅鋁運用感應加熱工藝進行焊接時,不同加熱功率對應不同的加熱時間,感應加熱功率越大,加熱速率越大,所用加熱時間越少;當感應加熱功率為12.63kW、加熱時間為24s時,所制備的銅鋁復合材料結合層效果最佳.

銅鋁復合材料; 高頻感應焊接; 設備改進; 表面熱電偶; 工藝參數

世界上鋁資源比較豐富,而銅資源相對不足[1].因此以鋁代替部分銅,開發銅鋁復合材料,不僅可節約銅資源,還可使材料獲得所需要的特性[2].銅鋁復合材料由于同時具有銅的高導電性、高導熱率、低接觸電阻以及鋁的質輕、耐蝕等優點,而受到了電力、電器、冶金、汽車、機械和生活用品等領域的青睞[3-9].目前常用的銅鋁連接方法有熔焊、壓焊和釬焊等.雖然銅鋁異種材料的焊接方法很多,每種方法都有一定的優勢,但同時也有一些難以克服的弊端.

本課題研究了銅鋁異種材料的焊接新方法,運用新型感應加熱工藝,通過固-液-固相復合法制備銅鋁復合材料.由于加熱功率和加熱時間會影響結合層的形成厚度,當加熱功率很小時,加熱速率小,鋁的熔化速度很慢,銅鋁之間反應時間較長,結合層較厚且不平整.當加熱電流增大時,加熱速度增大,銅鋁界面反應充分,形成的結合層均勻平整.然而,由于感應加熱的集膚效應,一般都是表層有電流,大部分熱量會集中于此,加熱速度如果過快,短時間內會有超高的熱量輸入,使表面熔敷的鋁過熱,從而使得鋁的成形破壞,同時容易形成空洞.為從事本項目研究,進一步優化焊接過程參數,根據感應加熱原理及其特點,對已有焊接設備進行改進,設計與制造了加熱時間控制器及熱電偶測溫裝置,得到了在焊接過程中不同功率下加熱溫度與加熱時間之間的工藝曲線,探究了感應焊接工藝過程的最佳參數.

1 焊接過程的加熱功率與溫度測量

1.1焊接工藝過程概述

高頻感應加熱的本質是利用電磁感應的方法,在導體內部產生的感應渦流,然后通過自身電阻加熱,也就是通過電磁感應把電能傳遞給被加熱的導體,電能在導體內部產生渦流,從而轉變為熱能,達到金屬加熱的目的[10-12].根據此原理,把銅和鋁材料同時放入感應加熱線圈中,溫度達到鋁的熔點后會發生部分熔化而銅仍保持固態,此時再施加一定的壓力,可實現銅鋁異種材料的焊接.本文焊接過程中的材料為8 mm厚的6005鋁及2 mm厚的T2純銅,使用的是自主研制的高頻感應加熱設備,功率為0～60 kW,連續可調,頻率為30～80 kHz,電壓為380 V,設備功率與電流之間的換算關系為:P=UI·1.414,其中I通過儀器讀取,功率與電流之間的關系曲線如圖1所示.

圖1 功率與電流間的關系曲線Fig.1 Relationship curve between heating power and heating current

試驗時先將固定好的銅板和鋁板放置在準備好的模具中,注意將銅板放置在上,鋁板放置在下,并將待焊件與模具一同放置在感應加熱線圈中的適當位置.設備接通電源,開始加熱,由于感應加熱的集膚效應現象,使得銅板和鋁板的接觸面迅速升溫,當溫度達到鋁的熔點后,鋁板開始部分熔化,但是此時銅板仍然處于固態,待時間適當時,對焊接件施加一定的壓力,則將銅板和鋁板冶金結合在一起.圖2為感應焊接工藝示意圖.

圖2 感應焊接工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of induction welding process

加熱溫度和加熱時間會直接影響結合層形成的好壞程度.為了進一步優化焊接過程的工藝參數,了解銅鋁焊接時鋁板在熔化過程中加熱時間與加熱溫度之間的關系,本試驗對已有焊接設備進行改進.根據焊接過程中焊接速度快、鋁熔化溫度高等特點,需選用可耐高溫的表面瞬態熱電偶對銅鋁接觸面之間的溫度進行測量.為了保證焊接時銅板和鋁板的緊密接觸,試驗測量中使用熱電偶的直徑為0.1 mm,節點尺寸為0.2 mm,將熱電偶緊密鑲嵌在銅板靠近鋁的一側,以保證熱電偶所感應到的溫度為鋁融化時的表面溫度.

1.2測量裝置設計與制造

鎳鉻-鎳硅(NiCr-NiSi)熱電偶是一組應用廣泛的金屬熱電偶材料.長期使用的最高溫度達 900 ℃,短期使用的最高溫度可達1 200 ℃[13].該溫度可以滿足本試驗溫度測量需要,其在高溫下的抗氧化能力及抗腐蝕能力都很強,而且具有熱電特性線性度好、靈敏度高等特點.為了研究焊接過程中結合面瞬態溫度的變化,試驗中選用了熱慣性較小、直徑為0.1 mm的瞬態 NiCr-NiSi熱電偶.

整個測溫裝置的電路方框圖如圖3所示.首先將熱電偶產生的電壓信號經過模塊放大,再經過濾波器濾掉雜波,將信號傳遞給示波器,對整個加熱時間的電壓值進行采集,然后輸入到計算機進行運算、存儲和顯示.金屬導體在高頻磁場環境中會產生渦流,造成渦流損耗[14-15].K型NiCr-NiSi熱電偶具有一定的電導率,在高頻磁場環境下測溫時,熱電偶端部將感應出渦流,產生渦流損耗.雖然這一渦流損耗本身很小,但熱電偶端部體積很小,因此損耗密度很大,從而使得端部急劇升溫[16].其中,濾波器的作用主要是為了過濾由于高頻磁場作用而產生的外界信號.

圖3 測溫裝置電路方框圖Fig.3 Temperature measurement circuit block diagram

1.3瞬態測溫熱電偶標定

熱電偶本身的輸出信號在毫伏數量級,為了保證測量精度,輸出電壓必須經過放大電路進行放大才可獲得線性放大,才可被下一級測量儀表采集、記錄、處理.因此在使用NiCr-NiSi熱電偶之前需要對制作的測溫裝置進行測量性能標定.試驗中的靜態標定系統主要由3部分組成:熱源裝置、信號采集電路以及數據采集,如圖4所示.

NiCr-NiSi熱電偶標定的熱源裝置采用了可以連續準確提供溫度為0～1 200 ℃的 OTF-1200X電阻爐.由于文中所需測量的溫度范圍在700 ℃左右,因此,NiCr-NiSi熱電偶的溫度標定范圍選擇為20～950 ℃.按照檢定點溫度的大小,把被測熱電偶的測溫接點置于熱阻爐中,通過熱阻爐的控溫系統調節升溫速率.試驗的標定范圍從20 ℃開始,得到熱電偶輸出電壓U與溫度T之間的關系如表 1所示.

圖4 標定系統Fig 4 Calibration system

表1 熱電偶輸出電壓U與溫度T關系Tab.1 Relationship between output voltage U and temperature T of thermocouple

圖5是對測量的數據點進行標定曲線擬合,熱電偶輸出電壓U與熱電偶溫度T之間的關系式為:U=0.004T+1.005 9.從圖5中可以看到,文中所使用的熱電偶線性很好.電偶本身的輸出信號在毫伏數量級,為了保證測量精度,輸出電壓必須經過放大電路.

圖5 熱電偶標定曲線Fig 5 Thermocouple calibration curve

2 工藝探究

為了測試鋁從固態到液態的瞬時加熱過程中加熱時間與加熱溫度的關系曲線,試驗中當銅鋁焊接加熱功率為9.4 kW時,熱電偶采集到加熱過程中的加熱時間與輸出電壓之間的關系曲線如圖6所示.

圖6 瞬態加熱過程曲線Fig.6 Transient heating process curve

從圖6中可以看到隨著加熱時間的增加,輸出電壓也在增加,即感應加熱的溫度在不斷增加.當時間達到34 s時,輸出電壓最大,此時感應加熱溫度也達到到最大值,即為鋁的熔化溫度.停止加熱,并施加一定壓力使銅鋁有效結合,焊接過程完成,溫度逐漸降低.根據分析知:這條測量曲線,測量的電壓值偏離擬合曲線±4%,瞬時加熱過程數據局部曲線如圖7所示,對其進行分析可知,測量數據的隨機誤差在±4%～5%.造成測量數據偏離的主要原因是由于銅鋁焊接試驗在高頻磁場環境中進行.在此環境下測溫時,高頻交變磁場會對線路產生影響,使得測量數據容易產生偏離.為了清楚比對各個工藝條件下加熱時間與溫度之間的關系,后續均對其工藝曲線進行了擬合.

圖7 瞬態加熱過程局部曲線Fig.7 Local curve of transient heating process

試驗中測得當銅鋁焊接加熱功率分別為8.06,10.48,12.63和13.70 kW時,所對應的加熱時間與電壓之間的關系曲線,通過溫度與電壓之間的標定試驗的關系轉換,可得出加熱時間與溫度之間的關系曲線,如圖8所示.

圖8 不同加熱功率的瞬態加熱過程曲線Fig.8 Transient heating curves of different heating power

從圖8中可知:達到鋁的熔化溫度時,不同加熱功率對應不同的加熱時間.感應加熱功率越大,加熱速率越大,所用加熱時間就越少.當感應加熱功率為8.06 kW時,加熱時間為34 s;當感應加熱功率為10.48 kW時,加熱時間為27 s;當感應加熱功率為12.63 kW時,加熱時間為24 s;當感應加熱功率為13.70 kW時,加熱時間為21 s.

感應焊接時,加熱速率及加熱溫度過高或加熱時間決定熔敷層形成的厚度.線圈通入電流后,銅鋁開始加熱,隨著溫度的升高以及加熱時間的增加,銅鋁發生互擴散.且隨著溫度的升高,互擴散系數逐漸增大.當溫度達到鋁的熔點時,鋁的上表面開始熔化.隨著加熱時間的增加,熔化的鋁增多,當施加一定的壓力擠出部分鋁液后,銅鋁界面結合.當加熱功率較小時,加熱速率較低,導致加熱時間過長,熔敷層得到過多的熱量,會出現熔敷層過熱或過燒的情況,得不到形態良好的結合層,形成的結合層界面很寬,如圖9(a)所示,達345 μm左右.隨著加熱功率增加,界面結合層厚度相應減小,如圖9(b),達178 μm左右.當加熱功率增大時,加熱速度增大,加熱時間減少,鋁熔化速度增大且在相同時間被鋁熔化的量較多,銅鋁界面反應充分,形成的結合層均勻平整且寬度適中,如圖9(c)所示,108 μm左右.加熱速度快可節省時間,提高生產效率,從這個角度來說感應加熱速度越大越好,也就是感應加熱功率越大越好.然而,由于感應加熱存在集膚效應,一般都是表層很薄的一層內有電流,大部分熱量會集中于此,加熱速度過快的話,短時間內就會有超高的熱量輸入,會使得表面熔敷的鋁過熱,從而使得鋁的成形破壞,同時容易形成空洞,如圖9(d)所示.只有當加熱功率和加熱時間匹配在一個最佳范圍內,才能保證銅鋁焊接件得到最佳性能.本試驗中當感應加熱功率為12.63 kW、加熱時間為24 s時銅鋁復合材料結合層效果最佳.

圖9 不同加熱功率下的界面形貌Fig.9 Interface morphology under different heating power

3 結 論

(1) 銅鋁在感應加熱工藝進行焊接時,可使用直徑為0.1 mm耐高溫的NiCr-NiSi表面瞬態熱電熱偶對銅板和鋁板接觸面之間的溫度進行測量.

(2) 銅鋁在進行感應加熱焊接時,達到鋁的熔化溫度,不同加熱功率對應不同的加熱時間,加熱功率越大所用加熱時間越少.

(3) 銅鋁運用感應加熱方式進行焊接,當感應加熱功率為12.63 kW、加熱時間為24 s時所制備的銅鋁復合材料結合層效果最佳.

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StudyontheProcessofCopper-aluminumbyHighFrequencyInductionWelding

WANG Yanyan1,LIUPing1,LIUXinkuan1,WANGZiyan2,WANGBing1,CAOKai1

(1.School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.ASL Automobiles Science & Technology(Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200433, China)

The bonding preparation process of copper and aluminum composite was studied.The solid-liquid-solid phase method is applied by using an induction heating system,and the thickness of bonding layer influenced by heating power and time is studied as well.A welding equipment is redesigned.Besides,a transient temperature device and a power time control system are made to achieve precise control for the welding process.A transient NiCr-NiSi thermocouple ofφ0.1 mm is used to monitor welding temperature of Cu/Al surface,and the curves of heating temperature vs heating time are obtained under different heating power.Optimized test data of heating power and time shows that the best bonding layer is created under heating power of 12.63 kW and heating time of 24 s.

copper/aluminum composite; high frequency induction welding; equipment improvement; surface thermocouple; process parameters

2017-03-14

國家自然科學基金資助項目(51201107)

王艷艷(1992—),女,碩士研究生. 研究方向: 銅鋁復合材料. E-mail: yanyanwang1511@163.com

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