铜-铝的摩擦焊接工艺

关键词：铜-铝焊接；电力；摩擦焊；焊接工艺

    1．铜-铝高温摩擦焊

焊前先将铜件前端加工成锥角，铜、铝焊接表面用锉刀清理干净。在焊接过程中为了防止铝在接头处变形流失，以及铝、铜试件由于受压失去稳定而产生弯曲变形，采用模子对铜、铝进行封闭加压。其焊接工艺规范如表1。

表1   铜-铝高温摩擦焊工艺规范

采用表1中的工艺规范焊接的接头，在静载拉伸时大多数都断于铝母材，并可以弯曲成180°角。这种接头成功地用于变电站户外多股设备铜端子和铝导线的连接。大型高温电炉的铜母线的面积为250×20=5000 mm²，铝母线的面积为250×30=7500 mm²。采用8个直径为30mm的铜-铝摩擦焊接头并联，做为过渡段，再用碳弧焊连接两头的铜-铜和铝-铝接头。这种摩擦焊-碳弧焊的大型铜-铝母线接头，在高温及冷却水的喷浇和腐蚀性物质的作用下，使用寿命超过了十年，比原来铜-铝碳弧焊接头的寿命（三个月）提高了四十多倍。

铜-铝高温摩擦焊接头，经得起静载的弯曲、拉伸试验和生产运行的考验。但是，在生产实践中，还要求铜-铝接头能经得起反复弯曲、冲压和锻压试验。为了扩大铜-铝摩擦焊的应用，常常要求把圆断面接头锻压成各种所需要的形状和尺寸，因此接头的锻压性能是非常重要的。可是在进行新的试验时，发现有接头脆断。

由铜-铝系平衡图指出，当铜中含铝量超过9.4%，和铝中含铜量超过5.9%时，由于其中含有大量的金属化合物（Cu9Al4,CuAl2等）而使合金变脆。铜-铝接头的脆断，主要是由于加热温度过高和加热时间过长，在接头中产生铜-铝脆性合金层所引起的。

按铜-铝摩擦焊接头脆断的特点，其原因分析如下：

在铜-铝摩接头的摩擦加热过程中，高速摩擦塑性变形层最初在铜-铝摩擦表面，以后过渡到铝材的内部，形成铝-铝的摩擦。表1中所用的焊接工艺规范，都可能使摩擦焊接表面的温度超过铜-铝共晶点548℃，达到铝的熔点660℃。这样的高温使接头中形成了大量的脆性组织，使接头产生脆断。

铜-铝高温摩擦焊是产生铜-铝脆性合金的根源，想要消除脆性合金层，要求必须改变焊接工艺。

2．铜-铝低温摩擦焊

低温摩擦焊工艺的特点是转速低，摩擦压力大，摩擦时间达到稳定摩擦阶段，顶锻压力大。为了增大后峰值摩擦扭矩、增加接头的变形量，用以破坏摩擦表面上的脆性合金薄层和氧化薄膜，摩擦加热结束主轴停车时通常不制动。焊前铜件前端无锥角。为了提高材料的塑性和改善焊接质量，焊前要对铜、铝进行退火，并仔细清理焊接表面上的油污和氧化膜。

接头直径Φ6～40mm的铜-铝低温摩擦焊接工艺规范见表2。试验证明，铜-铝低温摩擦焊接表面的温度低于548℃（共晶点），被控制在460℃~480℃附近。同时保证了铜-铝焊接表面充分的塑性变形。在铜-铝低温摩擦焊接头中没有脆性合金层，接头金属充分的塑性变形促进了铜-铝原子的扩散，提高了接头的焊接质量。

表2  铜-铝低温摩擦焊工艺规范

通过大量的试验证明，接头的机械性能和锻压性能十分良好。直径为10mm接头焊后的机械性能（试件1），焊后冷压变形量达50%以后的机械性能（试件2），为满足接头安装时焊接加热的需要，焊后经冷压再加热200℃、保温10min后的机械性能（试件3）见表3。接头的热稳定性试验结果和老化试验结果也都十分良好。为了防止接头在高温下工作产生脆性合金层，长期的工作温度不能超过200℃。

表3  铜-铝低温摩擦焊接头（Φ10mm）的机械性能

   3．摩擦焊接表面温度

   摩擦焊接表面温度就是摩擦焊热源的温度，将直接影响接头的加热温度和温度分布，影响接头金属的变形和扩散。在摩擦加热过程中，摩擦表面还能通过对摩擦系数的影响而调整摩擦加热功率，使加热功率和热源的温度处于平衡状态。

焊接试验和生产实践证明，当工件直径增大，转数增高，摩擦压力增大时，摩擦焊接表面的温度升高。否则摩擦焊接表面的温度降低。可是，不论摩擦条件作何种变化，同种金属焊接时，摩擦焊接表面的最高温度，不超过被焊金属的熔点；异种金属焊接时，摩擦焊接表面的温度，不超过低熔点金属的熔点。焊接铜-铝时，摩擦焊热源的温度低于或等于铝的熔点（660℃），见表4。

表4  铜-铝摩擦焊接表面（热源）的温度

4．用铝代铜，最关键的技术就是铜铝的接焊问题

铜的熔点是1083摄氏度，铝的熔点是660摄氏度，这相差400多摄氏度的熔点，形成的结果就是铝化了，铜可能还只是发软。更困难的是，铝还会天然地在表面生成氧化膜，由于制冷管路有洁净度要求，这层氧化膜不能用添加助剂的方法清除，也很难用物理方法清除，而这层氧化膜的熔点又达2000摄氏度，这三个不同的熔点，致使铜铝焊接极易形成虚焊甚至焊不上。以前，采用一些特种焊接方法，如电阻焊、扩散焊、储能焊、闪光焊等方法，通过施加焊接助剂，也可以实现铜-铝焊接，但这些方法由于成本高、工艺复杂、合格率低，不适合工业化生产。

铜-铝摩擦焊的发明、制造，实现了铜、铝焊接。同时，铜-铝摩擦焊工艺具有焊接质量好、效率高、稳定、节能、环保、省材等优点，且易实现机械化、自动化和流水线，操作简单，容易掌握和维护。因此，用摩擦焊代替了原来的焊接方法，并在各大企业投入使用，经济技术效果相当好。

参考文献：

1．宁裴章，才荫先，《摩擦焊》，机械工业出版社，1983

2．杜随更，摩擦焊接工艺新进展，《焊接技术》，2000

3．铜铝焊接技术难題攻克，网上