銅-鋁的摩擦焊接工藝

關鍵詞：銅-鋁焊接；電力；摩擦焊；焊接工藝

    1．銅-鋁高溫摩擦焊

焊前先將銅件前端加工成錐角，銅、鋁焊接表面用銼刀清理干凈。在焊接過程中為了防止鋁在接頭處變形流失，以及鋁、銅試件由于受壓失去穩定而產生彎曲變形，采用模子對銅、鋁進行封閉加壓。其焊接工藝規范如表1。

表1   銅-鋁高溫摩擦焊工藝規范

采用表1中的工藝規范焊接的接頭，在靜載拉伸時大多數都斷于鋁母材，并可以彎曲成180°角。這種接頭成功地用于變電站戶外多股設備銅端子和鋁導線的連接。大型高溫電爐的銅母線的面積為250×20=5000 mm²，鋁母線的面積為250×30=7500 mm²。采用8個直徑為30mm的銅-鋁摩擦焊接頭并聯，做為過渡段，再用碳弧焊連接兩頭的銅-銅和鋁-鋁接頭。這種摩擦焊-碳弧焊的大型銅-鋁母線接頭，在高溫及冷卻水的噴澆和腐蝕性物質的作用下，使用壽命超過了十年，比原來銅-鋁碳弧焊接頭的壽命（三個月）提高了四十多倍。

銅-鋁高溫摩擦焊接頭，經得起靜載的彎曲、拉伸試驗和生產運行的考驗。但是，在生產實踐中，還要求銅-鋁接頭能經得起反復彎曲、沖壓和鍛壓試驗。為了擴大銅-鋁摩擦焊的應用，常常要求把圓斷面接頭鍛壓成各種所需要的形狀和尺寸，因此接頭的鍛壓性能是非常重要的?？墒窃谶M行新的試驗時，發現有接頭脆斷。

由銅-鋁系平衡圖指出，當銅中含鋁量超過9.4%，和鋁中含銅量超過5.9%時，由于其中含有大量的金屬化合物（Cu9Al4,CuAl2等）而使合金變脆。銅-鋁接頭的脆斷，主要是由于加熱溫度過高和加熱時間過長，在接頭中產生銅-鋁脆性合金層所引起的。

按銅-鋁摩擦焊接頭脆斷的特點，其原因分析如下：

在銅-鋁摩接頭的摩擦加熱過程中，高速摩擦塑性變形層最初在銅-鋁摩擦表面，以后過渡到鋁材的內部，形成鋁-鋁的摩擦。表1中所用的焊接工藝規范，都可能使摩擦焊接表面的溫度超過銅-鋁共晶點548℃，達到鋁的熔點660℃。這樣的高溫使接頭中形成了大量的脆性組織，使接頭產生脆斷。

銅-鋁高溫摩擦焊是產生銅-鋁脆性合金的根源，想要消除脆性合金層，要求必須改變焊接工藝。

2．銅-鋁低溫摩擦焊

低溫摩擦焊工藝的特點是轉速低，摩擦壓力大，摩擦時間達到穩定摩擦階段，頂鍛壓力大。為了增大后峰值摩擦扭矩、增加接頭的變形量，用以破壞摩擦表面上的脆性合金薄層和氧化薄膜，摩擦加熱結束主軸停車時通常不制動。焊前銅件前端無錐角。為了提高材料的塑性和改善焊接質量，焊前要對銅、鋁進行退火，并仔細清理焊接表面上的油污和氧化膜。

接頭直徑Φ6～40mm的銅-鋁低溫摩擦焊接工藝規范見表2。試驗證明，銅-鋁低溫摩擦焊接表面的溫度低于548℃（共晶點），被控制在460℃~480℃附近。同時保證了銅-鋁焊接表面充分的塑性變形。在銅-鋁低溫摩擦焊接頭中沒有脆性合金層，接頭金屬充分的塑性變形促進了銅-鋁原子的擴散，提高了接頭的焊接質量。

表2  銅-鋁低溫摩擦焊工藝規范

通過大量的試驗證明，接頭的機械性能和鍛壓性能十分良好。直徑為10mm接頭焊后的機械性能（試件1），焊后冷壓變形量達50%以后的機械性能（試件2），為滿足接頭安裝時焊接加熱的需要，焊后經冷壓再加熱200℃、保溫10min后的機械性能（試件3）見表3。接頭的熱穩定性試驗結果和老化試驗結果也都十分良好。為了防止接頭在高溫下工作產生脆性合金層，長期的工作溫度不能超過200℃。

表3  銅-鋁低溫摩擦焊接頭（Φ10mm）的機械性能

   3．摩擦焊接表面溫度

   摩擦焊接表面溫度就是摩擦焊熱源的溫度，將直接影響接頭的加熱溫度和溫度分布，影響接頭金屬的變形和擴散。在摩擦加熱過程中，摩擦表面還能通過對摩擦系數的影響而調整摩擦加熱功率，使加熱功率和熱源的溫度處于平衡狀態。

焊接試驗和生產實踐證明，當工件直徑增大，轉數增高，摩擦壓力增大時，摩擦焊接表面的溫度升高。否則摩擦焊接表面的溫度降低?？墒?，不論摩擦條件作何種變化，同種金屬焊接時，摩擦焊接表面的最高溫度，不超過被焊金屬的熔點；異種金屬焊接時，摩擦焊接表面的溫度，不超過低熔點金屬的熔點。焊接銅-鋁時，摩擦焊熱源的溫度低于或等于鋁的熔點（660℃），見表4。

表4  銅-鋁摩擦焊接表面（熱源）的溫度

4．用鋁代銅，最關鍵的技術就是銅鋁的接焊問題

銅的熔點是1083攝氏度，鋁的熔點是660攝氏度，這相差400多攝氏度的熔點，形成的結果就是鋁化了，銅可能還只是發軟。更困難的是，鋁還會天然地在表面生成氧化膜，由于制冷管路有潔凈度要求，這層氧化膜不能用添加助劑的方法清除，也很難用物理方法清除，而這層氧化膜的熔點又達2000攝氏度，這三個不同的熔點，致使銅鋁焊接極易形成虛焊甚至焊不上。以前，采用一些特種焊接方法，如電阻焊、擴散焊、儲能焊、閃光焊等方法，通過施加焊接助劑，也可以實現銅-鋁焊接，但這些方法由于成本高、工藝復雜、合格率低，不適合工業化生產。

銅-鋁摩擦焊的發明、制造，實現了銅、鋁焊接。同時，銅-鋁摩擦焊工藝具有焊接質量好、效率高、穩定、節能、環保、省材等優點，且易實現機械化、自動化和流水線，操作簡單，容易掌握和維護。因此，用摩擦焊代替了原來的焊接方法，并在各大企業投入使用，經濟技術效果相當好。

參考文獻：

1．寧裴章，才蔭先，《摩擦焊》，機械工業出版社，1983

2．杜隨更，摩擦焊接工藝新進展，《焊接技術》，2000

3．銅鋁焊接技術難題攻克，網上