专利名称：一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，该工艺是利用铜-铝薄壁相对转动产生的温度将两种不同材料的薄壁管焊接在一起。
背景技术：
在二十世纪四十年代，国外就出现了钢与钢的摩擦焊接方法，但实用价值不大。1956年以后，苏联、捷克对摩擦焊进行了研究并开始应用于生产，在铜与黄铜等摩擦焊获得一定成果，但铝一铜管材的摩擦焊接并没有解决。中国专利ZL85103380公开了一种铜铝连接管爆炸焊接工艺，该工艺是采用低爆速炸药内爆法，其连接管是采用套接或对接结构，该工艺成品率较低，并且操作复杂。中国专利90104261.7公开了一种摩擦焊，该专利是一种往复式摩擦焊，在进行往复式摩擦焊时，工件的相互贴合面通常是平面，但是表面的形状如何并不是主要的，只要在它们之间能产生往复运动，而有往复运动时，由于两个工件的相对面压在一起，产生了摩擦热，当相压面附近的温度达到一个足够高的值时，两工件间产生热量的相应运动停止，而两个工件被焊接在一起。当采用往复式摩擦焊来焊接金属工件时，常常需要使用相当大的力。该专利焊接的对象是碳钢材料或者是铜材，对铜-铝薄壁管的焊接无法使用。因此，需要提出一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，该工艺可以将薄壁铜管和薄壁铝管以对接方式焊接在一起，不需要助焊材料和助焊剂。
本发明的目的是由下述技术方案实现的一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，其特征在于a、准备焊接坯料，铜管坯料及铝管坯料的直径相同，管径为4-20毫米，壁厚为1-3毫米；b、对铜管坯料和铝管坯料的焊接端面进行切削加工，加工后的端面粗糙度Ra达到6.3-10；c、将铝管坯料安装到一个滑动夹具中，由一个对开式管模与滑动夹具锁固，铝管坯料的焊接端面伸出所述管模1-4毫米；将铜管坯料安装到一个转动夹具中，由一个对开式管模与转动夹具锁固，铜管坯料的焊接端面伸出所述管模8-15毫米，铜管坯料和铝管坯料位于同一轴线上；d、启动转动夹具，当铜管坯料的转速达到1500转/分钟以后，驱动滑动夹具带动铝管坯料向转动夹具方向移动；e、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面接触后，通过控制滑动夹具使铝管坯料的给进速度控制在2-3毫米/秒；f、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动，铜管坯料和铝管坯料的结合面形成焊接接头；g、通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在2-3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在350-400兆帕；h、所述顶锻处理结束后，开启滑动夹具与转动夹具取出成品。
本发明的原理在于铝铜摩擦焊是一种特殊形式的热压焊方法。
摩擦焊是在轴向压力作用下，二个工件以高速相对旋转，在其接触面上进行摩擦运动，利用摩擦产生的热量加热了焊接部位，在几秒钟后立即停止转动并同时施加顶锻压力，则完成了焊接过程第一，铝铜物理接触的形成阶段。铝铜摩擦焊的二个端面，经机加工后，在焊接前，不做任何清理工作，在铜的端面上会粘附着很多油脂、杂质和氧化膜等抗焊物，经摩擦热将一部分吸附物分解挥发，另一部分被塑性变形的铝将铜面上的氧化膜撕裂而后被排除焊接端面。铝端是个不平滑表面，在极短的时间内从点到面的发生接触变形，增加了物理接触面积，当达到焊接面积时，在塑性变形和弹性变形铝封闭下开始形成真空状态。物理接触面的增大与压力、温度有密切关系，铝铜握力接触面的增长又与铜端面加工精度有关，在备料加工时纹线深度尽量的浅。
第二，相互扩散阶段，铝铜形成的物理接触面，在压力和摩擦热的作用下，产生的切应力和正应力引起铝表面层的塑性变形和流动，使原子间相互扩散，电子相互作用，形成金属键共同晶粒。
铝铜摩擦与如下的温度有关，在548℃下，铝在铜中溶解度为67％时，由X和θ相组成机械混合物形成低熔点共晶体。在400℃下，铝在铜中溶解度为9.4％时，而铜在铝中的溶解度为1.5％。在500℃以下，除了铝在铜中固溶体区域(α相)和铜在铝中的固体区域(X相)外，还有金属间化合物为基础的固溶体相。但铝铜摩擦焊是在几秒钟内完成的。由于扩散而形成的结合层，金相组织，待进一步探索。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明图1是本发明的坯料装卡示意2是本发明的焊接示意图具体实施方式
参见附图1、图2，本发明的实施例一a、准备焊接坯料，铜管坯料4及铝管坯料3的直径相同，管径为8毫米，壁厚为1.5毫米；b、对铜管坯料和铝管坯料的焊接端面进行切削加工，加工后的端面粗糙度Ra达到6.3-10；c、将铝管坯料安装到一个滑动夹具1中，由一个对开式管模2与滑动夹具锁固，铝管坯料的焊接端面伸出所述管模2毫米；将铜管坯料安装到一个转动夹具5中，由一个对开式管模6与转动夹具锁固，铜管坯料的焊接端面伸出所述管模10毫米，铜管坯料和铝管坯料位于同一轴线7上；d、启动转动夹具，当铜管坯料的转速达到1500转/分钟以后，驱动滑动夹具带动铝管坯料向转动夹具方向移动；e、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面接触后，通过控制滑动夹具使铝管坯料的给进速度控制在2-3毫米/秒，在摩擦的过程中，使铜管与铝管的接触面移动到滑动夹具上的管模内；f、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动，铜管坯料和铝管坯料的结合面形成焊接接头8，该接头位于滑动夹具上的管模内；g、通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在2-3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在350-400兆帕；h、所述顶锻处理结束后，开启滑动夹具与转动夹具取出成品。
本发明的实施例二在实施例一的基础上，作如下调整a、所述铜管坯料及铝管坯料的为10毫米，壁厚为1.5毫米；b、铜管坯料和铝管坯料的焊接端面的粗糙度Ra达到10；c、所述铝管坯料的焊接端面伸出所述管模4毫米；所述铜管坯料的焊接端面伸出所述管模10毫米；f、所述铝管坯料的给进速度控制在2毫米/秒；h、通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在392.27兆帕。
本发明的实施例三在实施例二的基础上，作如下调整a、所述铜管坯料及铝管坯料的为10毫米，壁厚为1.5毫米；b、铜管坯料和铝管坯料的焊接端面的粗糙度Ra达到10；c、所述铝管坯料的焊接端面伸出所述管模4毫米；所述铜管坯料的焊接端面伸出所述管模10毫米；d、将一个转动的芯杆从铜管坯料的右端管口沿轴线送入到铜管坯料和铝管坯料的焊接结合部，所述芯杆上设有一个切削刃，所述芯杆的旋转方向与铜管坯料的旋转方向相反；启动转动夹具，当铜管坯料的转速达到1500转/分钟以后，驱动滑动夹具带动铝管坯料向转动夹具方向移动；e、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面接触后，通过控制滑动夹具使铝管坯料的给进速度控制在2-3毫米/秒，在摩擦焊接的过程中，铜管与铝管的接触面上将产生变形和熔渣，使焊接面的内径缩小，此时，所述的切削刃可将多余的熔渣去除，保证焊接面处的内径与坯料的内径相同；f、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，在所述铝管坯料的管模中形成焊接接头，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动。
本发明焊态下的机械性能铝-铜薄壁管摩擦焊接头在焊态常温下，作的机械性能试验，见下表 铝-铜摩擦焊接头在制冷设备上工作，受力很小，仅承担自重和其它管路的重量，但要求作强度试验，是为保证管路有足够的强度、，从很多试验认识到焊口的强度，高于铝管强度，因此断口全是在距焊口几个毫米以外的铝管上，这是因为靠近焊口部位的铝端，经受焊接的压力，铝管密实强化，提高了强度。凡是基本焊好的试件，全断在铝端上，破坏强度b＞88.26MPA。
铝-铜摩擦焊接头的冷弯试验，主要是检验焊接面的焊合情况和塑性，分三种条件(形式)冷弯的，在试验机上进行冷弯试验时，设法可使铝铜均匀变形，对焊口受拉面的缺陷和脆性可进行检验手工冷弯，铜管不弯曲而铝管弯曲变形，同样能检验接头质量，仅是焊口承受弯矩小些，变形的位置偏向铝管；反复弯曲，是将铜管固定，弯曲部位放在焊口处，以2.5倍直径为弯心，向4个方向弯曲40°，本方法在通常的产品上不作这种检验，因电冰箱对焊接接头有严格的要求，所以才作这样的破坏性的弯曲检验，以确保整机的质量。
接头压扁试验，是检验焊口轴向塑性。
为探索铝-铜接头(棒材)在高温下工作性能，进行了高温强度试验，试验结果证明，铝-铜接头高温机械性能是良好的，接头强度大于母才放。作拉力试验时全破坏在母材上，200℃时，接头抗拉强度为44.13MPA，400℃时，接头抗拉强度为13.729MPA。
本发明的气密性试验(1)质谱捡漏。
本试验是选用氦质谱捡漏仪进行测试，结果见表5。
注此表数据由清华大学无线真空教研组提供电冰箱用的铝铜管焊接接头要求作泄露两测试，泄露量低于5×10-8托升/秒，而铝铜管摩擦焊接头，泄露量的灵敏度优于5×10-10托升/秒。证实此种接头气密性良好。
(2)内压试验试验压力为2.4517MPA，试验温度为室温(20℃)，试验介质为空气，浸泡在水中3秒钟，试件焊口处不见渗漏。
铝-铜摩擦焊接头，在200℃，300℃。400℃温度下，各经100小时处理，它的抗拉强度，弯曲角有不同程度的变化，经300℃和400℃时效后机械性能显著降低，而弯曲角度的降低比抗拉强度降低的更为严重，但200℃时，机械性能变化很小。
本发明时效处理后，所形成的扩散层的显微硬度高于铜、铝母材。下表是本发明的接头在400℃，经过100小时处理的显微硬度测量值。
本发明的扩散层，已不是单独固溶体了，而是有了析出的新相生成，产生了脆性化合物，从点发展到层直至几层，扩散层的增厚，与时效温度有很大关系，温度要比时间影响大得多。
扩散层(脆性层)的增厚，对接头机械性能非常不利，当加热200℃，经100小时，扩散层的厚度，仍然很薄，机械性能影响不显著。
本发明有如下积极效果1、通过试验和批量的生产证实，铝-铜薄壁管摩擦焊是一种较好的工艺方法。
2、焊接较小截面的铝-铜管，采用手动摩擦焊机可行的。
3、摩擦焊接头质量好并稳定，能满足电冰箱等制冷设备，对铝-铜管过滤段的要求。
4、摩擦焊接头在不超过200℃的温度下长期使用接头性能良好。
权利要求
1.一种铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，其特征在于a、准备焊接坯料，铜管坯料及铝管坯料的直径相同，管径为4-20毫米，壁厚为1-3毫米；b、对铜管坯料和铝管坯料的焊接端面进行切削加工，加工后的端面粗糙度Ra达到6.3-10；c、将铝管坯料安装到一个滑动夹具中，由一个对开式管模与滑动夹具锁固，铝管坯料的焊接端面伸出所述管模1-4毫米；将铜管坯料安装到一个转动夹具中，由一个对开式管模与转动夹具锁固，铜管坯料的焊接端面伸出所述管模8-15毫米，铜管坯料和铝管坯料位于同一轴线上；d、启动转动夹具，当铜管坯料的转速达到1500转/分钟以后，驱动滑动夹具带动铝管坯料向转动夹具方向移动；e、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面接触后，通过控制滑动夹具使铝管坯料的给进速度控制在2-3毫米/秒；f、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动，铜管坯料和铝管坯料的结合面形成焊接接头；g、通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在2-3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在350-400兆帕；h、所述顶锻处理结束后，开启滑动夹具与转动夹具取出成品。
2.根据权利要求1所述的铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，其特征在于a、所述铜管坯料及铝管坯料的管径为8毫米，壁厚为1.5毫米；b、铜管坯料和铝管坯料的焊接端面的粗糙度Ra达到6.3；c、所述铝管坯料的焊接端面伸出所述管模2毫米；所述铜管坯料的焊接端面伸出所述管模12毫米；f、所述铝管坯料的给进速度控制在2毫米/秒；h、通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在392.27兆帕。
3.根据权利要求2所述的铜-铝薄壁管摩擦焊接工艺，其特征在于d、将一个转动的芯杆从铜管坯料的右端管口沿轴线送入到铜管坯料和铝管坯料的焊接结合部，所述芯杆上设有一个切削刃，所述芯杆的旋转方向与铜管坯料的旋转方向相反；f、当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，在所述铝管坯料的管模中形成焊接接头，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动。
全文摘要
本发明涉及一种铜－铝薄壁管摩擦焊接工艺，该工艺的特点是对铜管坯料和铝管坯料的焊接端面进行切削加工，然后将铝管坯料安装到一个滑动夹具中，将铜管坯料安装到一个转动夹具中，铜管坯料和铝管坯料位于同一轴线上；启动转动夹具，当铜管坯料的转速达到1500转/分钟以后，驱动滑动夹具带动铝管坯料向转动夹具方向移动；当铜管坯料和铝管坯料的焊接端面摩擦时间达到1.5秒后，转动夹具立即停车，铜管坯料立即停止转动，铜管坯料和铝管坯料的结合面形成焊接接头；通过控制滑动夹具对所述焊接接头进行顶锻处理，该顶锻处理的给进速度控制在2－3毫米/秒，该顶锻处理的顶锻压力控制在350－400兆帕；所述顶锻处理结束后，开启滑动夹具与转动夹具取出成品。
文档编号B23K20/12GK1537698SQ0310976
公开日2004年10月20日 申请日期2003年4月17日 优先权日2003年4月17日
发明者陈开芳, 潘镜全 申请人:北京芳兴多功能床厂