銅鋁復合管材生產工藝及應用

蔣 杰

（佛山市華鴻銅管有限公司 廣東 佛山 528234）

1 要點

制冷用銅管材是銅加工產品主要產品之一，其年用量應用僅次于電力用產品使用量，年使用量約為250萬噸左右。

從2003年開始，銅價一路高歌猛進，由每噸兩萬一路飆升至每噸七萬，銅從此進入高價時代。由于銅產品的成本占整個制冷產品成本15%左右，因此銅價的飆升，無疑對制冷產品的成本影響是非常強大的，為了降低銅產品在整個制冷設備的使用成本，并結合銅鋁復合線材的使用情況，銅鋁復合管材的研發(fā)被相關制冷企業(yè)所關注。根據(jù)客戶和市場的要求，銅管生產企業(yè)從2005年開始研發(fā)、試驗、生產并應用相關銅鋁復合管材。經過十余年的發(fā)展，銅鋁復合管材的生產技術、應用情況以及未來的狀況怎么樣？現(xiàn)在看還不是很明確。筆者根據(jù)自我掌握的資料，對上述問題進行整理和解答，供大家參考和分享。

2 銅鋁復合管材的生產技術和加工工藝：

銅鋁復合從技術的角度看是非常困難復合技術，其原因在于銅和鋁的金屬特性所決定。其原因在于銅硬鋁軟、銅熔點高鋁熔點低、鋁易氧化、銅具抗氧化等特殊性決定銅鋁復合的難度。根據(jù)多年的技術研究和生產技術驗證，銅鋁復合的主要生產技術為：固＋固和液＋固，兩大生產技術方法。下面具體介紹：

2.1 固+固生產工藝主要有以下幾種：

2.1.1 外覆焊接軋制生產工藝

該工藝的生產方式為：在鋁管外表面覆焊一層銅帶，然后將復合銅管進過兩棍軋機進行軋制而成。其中銅帶的焊接方式可以是直線包裹焊接，也可是螺旋方式焊接。該生產工藝受到焊接銅帶厚度的限制，因此主要適應于中小規(guī)格的銅鋁復合管材的生產。該工藝來源于銅鋁線材產品的生產工藝。

2.1.2 雙金屬套管軋制生產工藝

該工藝的生產方式為：將兩種加工狀態(tài)的銅管管坯和鋁管管坯相互套接而成為套管，融合進行兩棍軋機進行軋制而成，在軋制過程為了保證復合面的強度和復合效果，會采用將管坯進行加熱的方式進行軋制。軋制后的管坯可以選用再次軋軋制或多道次拉伸方式生產出需要規(guī)格的產品。

2.1.3 雙金屬鑄套管擠壓生產工藝

該工藝的生產方式為：將銅和鋁鑄造管坯經特殊處理后套接在一起，然后經加熱、擠壓生產成為復合管坯。后續(xù)可以進行冷軋、拉伸生產以獲得所需的產品規(guī)格。為了避免套管銅鋁接觸面發(fā)生氧化現(xiàn)象，復合鑄管的兩端要進行封焊或包套處理。

2.1.4 雙金屬鑄套管行星軋制生產工藝

該工藝生產方式：將銅和鋁鑄造管坯經特殊處理后套接在一起，然后由行星軋機進行軋制而成，后續(xù)可進行聯(lián)拉、盤拉等冷加工生產工藝，而獲得需要的產品規(guī)格。

2.1.5 固+固生產工藝特點

（1）為了保證復合面的的強度以及復合后產品性能的均勻性，銅、鋁要復合的金屬表面要進行復合前的特別處理，主要是：除油、除氧化層、打磨增加表面粗糙度等。

（2）銅和鋁兩個金屬的材料的特殊性，在復合過程為了保證產品的復合效果，通常采用具有三向壓應力的加工生產方式——擠壓或軋制方法來實現(xiàn)。有資料顯示：復合過程溫度在430～460℃復合材料的復合性能最優(yōu)，因此為了保證產品在復合過程不發(fā)生產品氧化現(xiàn)象，通常在惰性氣體保護下進行。

（3）可以通過調整加工生產工藝的變形量獲得不同厚度的銅鋁復合層產品。來滿足不同客戶的要求，并適應后續(xù)產品生產加工。

2.2 液＋固生產工藝主要有以下幾種

2.2.1 填芯連鑄復合生產工藝

填型連鑄的生產工藝的方法是：在連續(xù)鑄造外層金屬坯殼的同時填充澆鑄芯部金屬；其鑄造過程是這樣的：首先鑄造外層銅金屬外層，使其形成銅管狀外殼，在外殼金屬凝固形成穩(wěn)定的前提下，并降低到適當?shù)那闆r下，向管狀銅殼內部灌裝金屬熔液，在灌裝過程保證中心部分為中空，實現(xiàn)管型鑄造。該鑄造工藝方法圖見圖1所示。

圖1 填芯連續(xù)復合生產工藝原理示意圖

2.2.2 雙結晶器連續(xù)鑄造生產工藝

雙結晶器連續(xù)鑄造工藝的方法是：在連續(xù)鑄造熔爐結晶器部分根據(jù)牽引方向安裝兩個同軸結晶器，現(xiàn)將內部鋁熔液引入芯部金屬結晶器進行結晶，然后在保護性氣體裝置的保護下進入外部金屬結晶器內，同時引入外部復合銅金屬熔液，實現(xiàn)內部金屬與外部金屬與內部金屬液固相結合，并實現(xiàn)連續(xù)鑄造。該鑄造工藝方法圖見圖2所示。

圖2 雙結晶器連續(xù)鑄造生產工藝示意圖

2.2.3 液＋固生產工藝的特點

通過上述文字和圖片的描述和示意，該生產工藝有以下幾個特點：

（1）兩種金屬有一種是在液態(tài)與另一個金屬進行復合，由于復合過程是液＋固下進行，因此復合面的結合效果要優(yōu)于其他方式的結合。

（2）兩種金屬的復合過程是處于惰性氣氛保護下進行，因此兩種金屬結合受其他氧化影響最低，因此復合面的強度最高，抗分離的能力最強。

（3）兩種金屬的復合是在高溫條件下進行因此對設備的控制與監(jiān)控退出更高要求，因此設備的投入非常大，對生產人員的操作技術水平也相應提出更高要求。

2.3 銅鋁復合管材冷加工生產工藝

銅鋁復合管材的坯料合成后，為了滿足以后后續(xù)加工需要，產品最終均要進行冷加工生產，由于是兩種不同金屬冷加工因此該產品的要特別注意以下幾點：

（1）多采用軋制生產工藝進行生產，一方面可以實現(xiàn)大的變形量，同時保證復合金屬復合層的效果和強度。

（2）在采用拉伸生產工藝時，道次加工率不要過大，可采用小道次加工率，多道次加工的工藝進行生產，必要時在道次中間增加退火的生產工藝，避免由于道次變形量過大引起復合層斷裂或鋁金屬層開裂現(xiàn)象發(fā)生，導致產品無法進行后續(xù)的生產。

（3）在進行退火工藝過程，要特別注意生產過程的金屬表面的保護，避免金屬表面的氧化，而影響后續(xù)生產和使用。

3 銅鋁復合管材所面臨的挑戰(zhàn)

銅鋁復合管材的研發(fā)其目的在于替換或部分替換制冷銅管，如果要實現(xiàn)這個目的，需要應對以下幾點的挑戰(zhàn)。

3.1 產品的焊接性能的挑戰(zhàn)

眾所周知，制冷銅管在使用過程需要進行大量的焊接工序，在焊接過程無法回避銅鋁間焊接的問題，銅鋁焊接的問題是一個世界性的難題，現(xiàn)有的焊接技術還沒有完全徹底的解決，該技術能否得到攻克會嚴重制約銅鋁管的應用。

3.2 產品耐壓安全性的挑戰(zhàn)

為了保護地球的臭氧層，新型制冷劑已經在世界范圍內進行應用，新型制冷劑與原制冷劑的最大特點是：制冷劑的運行壓力增加60%，在這種情況下，對制冷用管材的耐壓提出更高耐壓和安全要求。安全性能否滿足要求是對銅鋁復合管材一個重要考驗。

3.3 產品綠色環(huán)保的挑戰(zhàn)

產品的全生命綠色環(huán)保理念越來越被世人所接受。同時也是一項社會責任，由于銅鋁產品在使用后的分離技術還沒有從根本上得到解決，該問題沒有得到徹底解決前，銅鋁復合管材的使用必將受到使用企業(yè)限制。

4 結論

銅鋁復合管材生產技術的研發(fā)是金屬制造加工創(chuàng)新發(fā)展的新技術，為金屬產品的應用和推廣提供新的生產技術和新的思路。但應該看到在應用領域還有許多問題需要解決和面對。在短期內制冷用銅管的產品仍然是以銅管為主導。銅鋁復合管材產品還很難對現(xiàn)有銅制冷管材產生任何影響。