专利名称：含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种异种金属焊接接头，尤其是薄壁插接式铜铝管焊接接头。
本发明还涉及上述焊接接头的制备方法。
背景技术：
紫铜管由电解铜构成，在生产生活中有大量的应用，由于电解铜接近枯 竭，近来铜铝共用的铜铝焊接管替代铜管成为技术热点。插接式铜铝管电阻 焊接技术是规模化生产的最好方案。
焊接面可以承受拉应力的铜铝接头是优质接头。但一些铜铝接头焊缝并 不能承受拉伸应力，现有技术对其也未能给出科学解释，因此也未能对如何 提高铜铝接头拉伸应力给出生产方法上的指导。这是因为对焊接接头的微观 结构没有正确的认识，技术的方向性不够明确，不能保证铜铝接头形成统一 的微观组织结构，需要在铜锅焊接方法上做进一步创造，以获得质优价廉的
产品。发明人通过研究发现，铜铝接头的焊缝中存在层片状a-Al+CuAl2，是 导致铜铝接头不能承受拉伸应力的主要原因。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种生产前述含犬齿形柱状晶 结构的铜铝接头的制备方法。
对于本发明的含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头来说，上述问题是这样解 决的由铜管、铝管构成，其特征在于焊缝由铝管、犬齿形柱状晶、铜管构 成，销管、铜管通过犬齿形柱状晶连接在一起，犬齿形柱状晶成份为CuAl2。
发明人通过研究发现，在插接结构铜铝管电阻焊焊接接头中，铜铝间的 层片状(x-Al+CuAl2对铜销焊缝的抗拉强度有危害，本发明将铜铝间的焊缝组织加工成犬齿形柱状晶结构，焊缝强度明显提高。对于上述铜铝接头的制备方法而言，本发明是这样解决的取铜管、钼 管各一个，铜管一端缩口，铝管端面齐口，铜管管端缩口外表面焊接部位的表面粗糙度为Ra0.4 0.1 y ，铝管切断下料，端面毛刺控制在0-0.05mm,铜 管插入到铝管中，放置在焊接设备上焊接，焊接中焊接温度为647。C 665。C， 电流密度为475安 515安/mm2，电极气缸压力为0.6Mpa 0.8 Mpa,活动电 极组推进压力为 0.6Mpa 0.8 Mpa ， 铜管内部施力口压强为 800kgf/cm~1000kgf/cm2,焯接时间为0.6~0.8S。当参数不在上述范围内时，尤其是不施加内部压强，焊缝将不能得到单 一的犬齿形柱状晶结构，铜铝焊缝将出现未熔合或熔化的焊缝以层片状 a-Al+CuAl2金相组织为主的结构。如针对施焊的cj) 12.7*0.8铜铝管，端面毛 刺控制在0.02-0.05m，铜管插入到铝管中，放置在焊接设备上焊接，焊接中 焊接温度为660°C,电流为16000安，电极气缸压力为0.8 Mpa，活动电极 组推进压力为0.8Mpa，焊接时间为0.7S，但内部不施加压强，得到如图2、 图3所示的界面微观组织结构。该微观组织结构的特点为靠近铜管附近形 成很短的柱状晶粒，靠近铝管部分为层片状(x-Al+CUAl2的共晶区域，焊缝 以层片状共晶组织构成。在该条件下，由于层片状a-Al+CuAl2的共晶组织 脆性较大，因此影响了插接式接头铜铝焊缝的抗拉强度。层片状(x-Al+CuAl2 的共晶组织的抗拉强度低于5N/mm2。本发明的有益效果为1、 要得到均匀组织结构的焊接界面，待焊工件的预处理至关重要。焊 接过程中，整个铜铝管接头的均勾接触是得到均匀微观组织结构焊接界面的 重要保证。因此，需对铜管坡口焊接部位精锻成镜面，以确保整个接触界面 具有均匀的导电性。2、 在焊接过程中，选择特定的焊接参数范围，并施加多向高压对焊缝 进行挤压，将层片状a-Al+CuAl2的共晶组织挤掉，剩下高度不超过3 jam的 犬齿形柱状晶粒。剩余在铜铝之间形成的犬齿形柱状晶的组织结构使得焊接 界面的强度明显高于铝基体的强度，起到强化焊缝的作用，如图4、图5所 示。在插接式铜铝管焊接接头中形成的铜管与铝管之间的犬齿形柱状晶组织 结构是本发明的重要特征之 一 ，犬齿形柱状晶组织的抗拉强度大于 200N/mm2。3、铜的导热系数(20。C, 390w/m*°C)比铝(20。C， 238.64 w/m*°C ) 高很多，且铜侧为固态而铝侧发生了部分熔化，结果也导致了界面处由铜侧 到铝侧存在着很大的温度梯度，使铜铝焊接界面处发生定向凝固。因为温度 梯度大的方向上，晶粒比其它取向生长的速度快，最后在铜铝焊接接头的铜 管侧形成犬齿形柱状晶。犬齿形柱状晶柱状晶的铜元素含量在Cu53. 3-54 wty。之间，犬齿形柱状 晶柱状晶的成分是CuAl2。图4、图5中铜铝界面处的犬齿形柱状晶晶粒十 分细小，高度不超过3Mm,宽度小于2"m。晶粒细小是由于通电加热、加 压，使金属表面的氧化膜破碎，悬浮于熔体中的氧化膜可以成为非自发形核 的界面，在电阻焊条件下，铜管温度梯度高，铜界面处可获得足够的过冷度 进行非自发形核，这样单位体积内非自发形核的界面越多，能形成的晶核数 目越多，从而形成晶粒细小的组织，起到钉扎位错的作用，从而明显提高接 头机械性能。
图1焊接示意2含层片状a-Al+CuAl2共晶组织的铜铝焊接接头的焊缝结构示意3图2所示焊缝结构的金相照片图4含犬齿形柱状晶组织的铜铝焊接接头的焊缝结构示意图 图5图4所示焊缝结构的金相照片其中活动电极组l、铜管2、电极镶嵌块3、固定电极组4、铝管5、 a-Al+CuAl2层片状共晶组织6、犬齿形柱状晶7、在管路内部对焊接接头施 加的压力F1、通过活动电极组对焊接接头施加的推进压力F2、电极气缸对 活动电极组(铜管侧)上下电极间施加的压力F3、电极气缸对固定电极组 (铝管侧)上下电极间施加的压力F4。图3、图5照片中下部黑色部分为铝管5，上部浅色部分为铜管2。靠 近铜管部分为犬齿形柱状晶7，靠近铝管部分为层片状a-Al+CiiAl2的共晶组 织6。图5照片中铜铝连接处为犬齿形柱状晶7。
具体实施方式
下面参照图l、图4、图5说明本发明的具体实施例 犬齿形柱状晶组织结构是通过严格控制工件的表面质量、焊接前的工件装配质量、以及精确的电流、电压、气压控制，辅助以多向高压压缩焊缝后取得的。具体过程及参数如下1) 取铜管2、钼管5各一个，铜管2—端缩口 ，铝管5端面齐口；2) 铜管2縮口外表面焊接部位的表面粗糙度Ra0.4 0.1 n ;3) 铝管5切断下料，端面毛刺控制在0-0.05mm;4) 如图1所示，铜管2插入到铝管5中，放置在焊接设备焊接，其中 焊接设备的固定电极组4的焊接部位安装有电极镶嵌块3;5) 焊接温度647 665°C;6) 电流密度475安 515安/mm2;7) 电极气缸压力F3、 F4: 0.6Mpa 0.8 Mpa;8) 活动电极组推进压力F2: 0.6Mpa 0.8 Mpa;9) 铜管内部施加压强F1 : 800kgf/cm2~1000kgf/cm2;10) 焊接时间0.6 0.8S电极镶嵌块3是一种硬度高、耐高温、耐溶蚀、低导电、低导热的材料， 我们使用的是Fe-Al金属间化合物与Zr02陶瓷的复合材料，通过电极镶嵌 块，实现对铜铝接头焊缝施加的多向压力。本发明所述的焊接设备可以釆用 焊接插接式铜铝焊接接头的焊接设备，铜管内部施加压强可以釆用焊接芯棒 等实现。按照本发明生产的插接式铜铝管焊接界面的结构，通过对焊缝断面进行 扫描式电子显微镜分析，铜管与铝管之间由犬齿形柱状晶组织结构构成，犬 齿形柱状晶晶粒的高度小于3Mm,宽度小于2nm。其金相结构如图5所示。按照本发明生产的插接式铜铝管焊接接头组织性能可以通过对铜铝接 头焊缝的拉伸试验进行检验,铜管与铝管之间是犬齿形柱状晶组织结构的焊 缝,在对铜钼接头的焊缝区域进行拉伸试验时，钼管破坏，而焊缝完好。铜铝接头焊缝区域拉伸试验方法以铜铝接头外表面焊缝为基准，铝管保留20mm，铜管保留50mm切下。用台钳固定铜管，铝管在上，铜管在 下，在铝管端面按4等份划线，用锯剖开，割至焊缝以下2mm，用尖嘴钳 将没有焊合的铝管撕开(缓慢、均勻用力)，铜钼焊缝之间未撕开部分由犬 齿形柱状晶组织结构构成。按照本发明生产的铜铝接头，由于消除了图2中层片状a-Al+CuAl2,形 成图5单一的犬齿形柱状晶组织，大大提高了材料的力学性能，铜铝接头具 有优良的抗热振性能，较长的疲劳寿命，较高的蠕变抗力和中温塑性的综合 性能。所形成的单一犬齿形柱状晶的成分是CuAl2。本发明参照附图和实施例进行说明，但保护范围不限于此，在本发明技 术范围内具有普通技术人员可以经过简单的变换，而获得本发明同样的技术 效果，同样在本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头，由铜管、铝管构成，其特征在于焊缝由铝管、犬齿形柱状晶、铜管构成，铝管、铜管通过犬齿形柱状晶连接在一起，所述犬齿形柱状晶成份为CuAl2。
2、 如权利要求1所述的一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头，其特征 在于所述犬齿形柱状晶晶粒的高度小于3jum,宽度小于2um。
3、 如权利要求l或2所述的一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头，其 特征在于所述犬齿形柱状晶的铜元素含量为Cu53. 3-54 wt%。
4、 一种如权利要求1所述的含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头的制备方 法，其特征在于取铜管、钼管各一个，铜管一端缩口，铝管端面齐口，铜管 管端缩口，缩口外表面焊接部位的表面粗糙度为Ra0.4 0.1w，铝管切断下 料，端面毛刺控制在0-0.05mm，铜管插入到铝管中，放置在焊接设备上焊 接，所述焊接设备的固定电极组的焊接部位安装有电极镶嵌块，焊接中焊接 温度为647。C 665。C，电流密度为475安 515安/ mm2,电极气缸压力为 0.6Mpa~0.8 Mpa，活动电极组推进压力为0.6Mpa~0.8 Mpa,铜管内部施加压 强为800kgf/cm2 1000kgf/cm2,焊接时间为0.6~0.8S。
5、 如权利要求1所述的一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头的制备方 法，其特征在于所述电极镶嵌块由Fe-Al金属间化合物与Zr02陶瓷构成的 复合材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种含犬齿形柱状晶结构的铜铝接头及其制备方法。该铜铝接头由铜管、铝管构成，其特征在于焊接面由铝管、犬齿形柱状晶、铜管构成，所述犬齿形柱状晶成份为CuAl<sub>2</sub>。焊接时，铜管外表面焊接部位的表面粗糙度Ra 0.4～0.1μ，铝管端面毛刺控制在0.0-0.05mm，焊接中焊接温度为647℃～665℃，电流密度为475安～515安/mm2，电极气缸压力为0.6MPa～0.8MPa，活动电极组推进压力为0.6MPa～0.8MPa，铜管内部施加压强为800kgf/cm～1000kgf/cm<sup>2</sup>，焊接时间为0.6～0.8S。按照本发明生产的铜铝接头，由于消除接头中的层片状α-Al+CuAl<sub>2</sub>，形成单一的犬齿形柱状晶组织，大大提高了材料的力学性能，铜铝接头具有优良的抗热振性能，较长的疲劳寿命，较高的蠕变抗力和中温塑性的综合性能。
文档编号C22C9/01GK101598251SQ20081011152
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者刘英才, 孙德兴, 左铁军, 训 杨, 岩 王, 越 赵, 陈守刚 申请人:左铁军;赵 越