銅鋁快速高壓滲溶焊接技術及其應用

周景春 滕世政 何 柳 項 嶄 蒙永云

0 引言

在目前銅礦資源不足、且銅價上漲的市場現狀驅動下，以鋁代銅、只在接頭處焊接銅管成為目前銅鋁連接管的主流生產趨勢。國內外的研究人員一直致力于從各方面嘗試實現銅鋁等異種金屬材料管路的優良焊接。

已知針對銅鋁異種金屬焊接的方法有電磁脈沖焊接、摩擦焊、復合塑性流動連接方式等，以及近年來涌現的一些其他的焊接方法如攪拌摩擦焊、高能束焊等，但在實際生產應用中或多或少都存在諸如焊接設備要求高、實施困難、效率低下和質量難以控制等多方面問題。

1 銅鋁快速高壓滲溶焊接技術原理

基于對現有銅鋁連接管生產技術的總結和改進，公司研發團隊進行改良并將銅鋁快速高壓滲溶焊接技術應用于生產中，公司對此技術持有多項相關專利。本文對這項技術進行詳細描述。銅管旋鍛縮口[1]和鋁管斜插預套后，通電對銅鋁焊接區進行加熱，使外層金屬原子達到活躍狀態，待鋁材表面軟化后使用球形沖桿對焊接區施加橫向推進壓力[2]，銅、鋁接觸面產生相對運動，摩擦并粉碎銅、鋁管材焊接表面存在的氧化物以及其他雜質，并且將其在推進過程中擠出[3]，以此實現銅鋁管材接觸面的環狀連續推進焊接。焊接區原子擴散完成后迅速撤去高壓并停止對結合面通電，在空氣中進行靜置冷卻。從而得到接口處焊接牢固的銅鋁連接管[4]。

1.1 管材連接方式

圖1銅管、鋁管連接示意圖

銅鋁管材焊接處采用斜插的方式進行連接，如圖1所示。銅管端部預設有旋鍛縮口，在銅管鋁管預套時，將銅管旋鍛縮口端頭插入鋁管，同時在另一端套入沖擊桿（圖2），并放置在夾具設有的限位槽中定位。便于銅表面層和鋁表面層緊密接觸，縮短原子間距；同時在擠壓的過程中便于金屬表面殘留氧化物和雜質等的擠出。有研究表明，斜面連接更容易在通電瞬間形成小范圍的高溫受熱區域；在焊接過程中，局部的高溫區隨著金屬沿著斜面滑移，形成焊縫，解決高溫引起的工件失穩問題[5]。

1.2 沖桿工作方式及工裝

銅管鋁管預套后放入限位槽中，與沖桿中心線重合，氣泵推動沖桿向左推進[2]。沖桿端部最大的球節對焊接區施加擠壓，擠出銅表層、鋁表層界面上的氧化物等雜質的同時，縮短銅、鋁表層原子間距，便于形成牢固焊接區。

目前包含這種結構工裝的生產設備已投入工廠的日常生產實踐中。

1.2 能耗

由于沖桿在連續推進過程中，與管材直接接觸區域呈圓環狀，接觸區域面積小，是以在工作過程中，電流通過金屬區域的面積小，發熱少，因而生產過程中能耗低，是以起到一定程度節省能源的目的。

2 試驗

2.1 金相及晶粒度分析

圖3焊接前后晶粒度未發生明顯變化（a1）銅側未焊接處；（a2）銅側焊接處；（b1）鋁側未焊接處；（b2）鋁側焊接處

對銅鋁連接管件成品的部分區域取樣做晶粒度分析試驗所得結果如圖3所示：a1為銅側未焊接部位晶粒度，a2為銅側焊接區晶粒度，由圖可知應用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術得到的銅鋁連接管件其銅側在焊接前后晶粒度并不發生明顯變化；b1為鋁側未焊接部位晶粒度，b2為鋁側焊接區晶粒度，由圖可知鋁側在焊接前后晶粒度同樣未發生明顯變化。由此可見，應用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術焊接銅鋁連接管不會產生銅鋁管的晶粒度變化問題，不會破壞金屬焊接部位原有的晶粒結構。

圖2沖桿推進示意圖

圖4銅鋁焊接界面的電鏡照片

2.2 電鏡圖分析

圖4分別是10μm和1μm尺度下的掃描電鏡圖。圖a中左側淺色區域為鋁，右側深色區域是銅。從圖中可見10μm尺度下焊接區銅鋁之間界線清晰干凈，顯示在銅鋁焊接處并無共晶組織生成[6]，也無殘留雜質。圖b中在1μm尺度下可見銅鋁焊接區分界線依舊清晰，未觀察到其他組織結構。由此可證明本文提出的銅鋁快速高壓滲溶焊接不會因產生大尺寸共晶組織而使銅鋁接頭變脆[7]。

2.3 剝離

設置沖桿擠壓時間為變量，從400 ms到1 200 ms等時間間隔做對比試驗，沖桿擠壓時間分別取400 ms、680 ms、800 ms、1 000 ms、1 200 ms情況下進行銅鋁快速高壓滲溶焊接試驗。分別對銅鋁連接管接頭部分進行剝離和反剝離，試驗結果如圖。在試驗中測得800 ms焊縫長度達5 mm。

圖5銅鋁連接管接頭剝離

2.4 鹽霧及爆破

將銅鋁連接管成品剝去熱縮套層進行鹽霧耐蝕試驗500 h后，再進行爆破。在10.9 MPa以上壓強下進行試驗，結果顯示爆破點均不在接口處。

圖6銅鋁連接管爆破試驗結果

3 結論

根據以上試驗結果可知，使用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術焊接的銅鋁連接管，焊接接頭不易剝離、牢固焊接面積相比普通電阻焊有所擴大，而機械性能和純銅管相比并無太大退化；在生產實踐中，采用銅鋁快速高壓滲溶焊接技術有效減少能耗。