專利名稱：含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異種金屬焊接接頭，尤其是薄壁插接式銅鋁管焊接接頭。
本發(fā)明還涉及上述焊接接頭的制備方法。

背景技術(shù)：
紫銅管由電解銅構(gòu)成，在生產(chǎn)生活中有大量的應(yīng)用，由于電解銅接近枯 竭，近來銅鋁共用的銅鋁焊接管替代銅管成為技術(shù)熱點(diǎn)。插接式銅鋁管電阻 焊接技術(shù)是規(guī)?；a(chǎn)的最好方案。
焊接面可以承受拉應(yīng)力的銅鋁接頭是優(yōu)質(zhì)接頭。但一些銅鋁接頭焊縫并 不能承受拉伸應(yīng)力，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)其也未能給出科學(xué)解釋，因此也未能對(duì)如何 提高銅鋁接頭拉伸應(yīng)力給出生產(chǎn)方法上的指導(dǎo)。這是因?yàn)閷?duì)焊接接頭的微觀 結(jié)構(gòu)沒有正確的認(rèn)識(shí)，技術(shù)的方向性不夠明確，不能保證銅鋁接頭形成統(tǒng)一 的微觀組織結(jié)構(gòu)，需要在銅鍋焊接方法上做進(jìn)一步創(chuàng)造，以獲得質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的
產(chǎn)品。發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，銅鋁接頭的焊縫中存在層片狀a-Al+CuAl2，是 導(dǎo)致銅鋁接頭不能承受拉伸應(yīng)力的主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭。
本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種生產(chǎn)前述含犬齒形柱狀晶 結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭的制備方法。
對(duì)于本發(fā)明的含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭來說，上述問題是這樣解 決的由銅管、鋁管構(gòu)成，其特征在于焊縫由鋁管、犬齒形柱狀晶、銅管構(gòu) 成，銷管、銅管通過犬齒形柱狀晶連接在一起，犬齒形柱狀晶成份為CuAl2。
發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，在插接結(jié)構(gòu)銅鋁管電阻焊焊接接頭中，銅鋁間的 層片狀(x-Al+CuAl2對(duì)銅銷焊縫的抗拉強(qiáng)度有危害，本發(fā)明將銅鋁間的焊縫組織加工成犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)，焊縫強(qiáng)度明顯提高。對(duì)于上述銅鋁接頭的制備方法而言，本發(fā)明是這樣解決的取銅管、鉬 管各一個(gè)，銅管一端縮口，鋁管端面齊口，銅管管端縮口外表面焊接部位的表面粗糙度為Ra0.4 0.1 y ，鋁管切斷下料，端面毛刺控制在0-0.05mm,銅 管插入到鋁管中，放置在焊接設(shè)備上焊接，焊接中焊接溫度為647。C 665。C， 電流密度為475安 515安/mm2，電極氣缸壓力為0.6Mpa 0.8 Mpa,活動(dòng)電 極組推進(jìn)壓力為 0.6Mpa 0.8 Mpa ， 銅管內(nèi)部施力口壓強(qiáng)為 800kgf/cm~1000kgf/cm2,焯接時(shí)間為0.6~0.8S。當(dāng)參數(shù)不在上述范圍內(nèi)時(shí)，尤其是不施加內(nèi)部壓強(qiáng)，焊縫將不能得到單 一的犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)，銅鋁焊縫將出現(xiàn)未熔合或熔化的焊縫以層片狀 a-Al+CuAl2金相組織為主的結(jié)構(gòu)。如針對(duì)施焊的cj) 12.7*0.8銅鋁管，端面毛 刺控制在0.02-0.05m，銅管插入到鋁管中，放置在焊接設(shè)備上焊接，焊接中 焊接溫度為660°C,電流為16000安，電極氣缸壓力為0.8 Mpa，活動(dòng)電極 組推進(jìn)壓力為0.8Mpa，焊接時(shí)間為0.7S，但內(nèi)部不施加壓強(qiáng)，得到如圖2、 圖3所示的界面微觀組織結(jié)構(gòu)。該微觀組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為靠近銅管附近形 成很短的柱狀晶粒，靠近鋁管部分為層片狀(x-Al+CUAl2的共晶區(qū)域，焊縫 以層片狀共晶組織構(gòu)成。在該條件下，由于層片狀a-Al+CuAl2的共晶組織 脆性較大，因此影響了插接式接頭銅鋁焊縫的抗拉強(qiáng)度。層片狀(x-Al+CuAl2 的共晶組織的抗拉強(qiáng)度低于5N/mm2。本發(fā)明的有益效果為1、 要得到均勻組織結(jié)構(gòu)的焊接界面，待焊工件的預(yù)處理至關(guān)重要。焊 接過程中，整個(gè)銅鋁管接頭的均勾接觸是得到均勻微觀組織結(jié)構(gòu)焊接界面的 重要保證。因此，需對(duì)銅管坡口焊接部位精鍛成鏡面，以確保整個(gè)接觸界面 具有均勻的導(dǎo)電性。2、 在焊接過程中，選擇特定的焊接參數(shù)范圍，并施加多向高壓對(duì)焊縫 進(jìn)行擠壓，將層片狀a-Al+CuAl2的共晶組織擠掉，剩下高度不超過3 jam的 犬齒形柱狀晶粒。剩余在銅鋁之間形成的犬齒形柱狀晶的組織結(jié)構(gòu)使得焊接 界面的強(qiáng)度明顯高于鋁基體的強(qiáng)度，起到強(qiáng)化焊縫的作用，如圖4、圖5所 示。在插接式銅鋁管焊接接頭中形成的銅管與鋁管之間的犬齒形柱狀晶組織 結(jié)構(gòu)是本發(fā)明的重要特征之 一 ，犬齒形柱狀晶組織的抗拉強(qiáng)度大于 200N/mm2。3、銅的導(dǎo)熱系數(shù)(20。C, 390w/m*°C)比鋁(20。C， 238.64 w/m*°C ) 高很多，且銅側(cè)為固態(tài)而鋁側(cè)發(fā)生了部分熔化，結(jié)果也導(dǎo)致了界面處由銅側(cè) 到鋁側(cè)存在著很大的溫度梯度，使銅鋁焊接界面處發(fā)生定向凝固。因?yàn)闇囟?梯度大的方向上，晶粒比其它取向生長的速度快，最后在銅鋁焊接接頭的銅 管側(cè)形成犬齒形柱狀晶。犬齒形柱狀晶柱狀晶的銅元素含量在Cu53. 3-54 wty。之間，犬齒形柱狀 晶柱狀晶的成分是CuAl2。圖4、圖5中銅鋁界面處的犬齒形柱狀晶晶粒十 分細(xì)小，高度不超過3Mm,寬度小于2"m。晶粒細(xì)小是由于通電加熱、加 壓，使金屬表面的氧化膜破碎，懸浮于熔體中的氧化膜可以成為非自發(fā)形核 的界面，在電阻焊條件下，銅管溫度梯度高，銅界面處可獲得足夠的過冷度 進(jìn)行非自發(fā)形核，這樣單位體積內(nèi)非自發(fā)形核的界面越多，能形成的晶核數(shù) 目越多，從而形成晶粒細(xì)小的組織，起到釘扎位錯(cuò)的作用，從而明顯提高接 頭機(jī)械性能。


圖1焊接示意2含層片狀a-Al+CuAl2共晶組織的銅鋁焊接接頭的焊縫結(jié)構(gòu)示意3圖2所示焊縫結(jié)構(gòu)的金相照片圖4含犬齒形柱狀晶組織的銅鋁焊接接頭的焊縫結(jié)構(gòu)示意圖 圖5圖4所示焊縫結(jié)構(gòu)的金相照片其中活動(dòng)電極組l、銅管2、電極鑲嵌塊3、固定電極組4、鋁管5、 a-Al+CuAl2層片狀共晶組織6、犬齒形柱狀晶7、在管路內(nèi)部對(duì)焊接接頭施 加的壓力F1、通過活動(dòng)電極組對(duì)焊接接頭施加的推進(jìn)壓力F2、電極氣缸對(duì) 活動(dòng)電極組(銅管側(cè))上下電極間施加的壓力F3、電極氣缸對(duì)固定電極組 (鋁管側(cè))上下電極間施加的壓力F4。圖3、圖5照片中下部黑色部分為鋁管5，上部淺色部分為銅管2?？?近銅管部分為犬齒形柱狀晶7，靠近鋁管部分為層片狀a-Al+CiiAl2的共晶組 織6。圖5照片中銅鋁連接處為犬齒形柱狀晶7。
具體實(shí)施方式
下面參照?qǐng)Dl、圖4、圖5說明本發(fā)明的具體實(shí)施例 犬齒形柱狀晶組織結(jié)構(gòu)是通過嚴(yán)格控制工件的表面質(zhì)量、焊接前的工件裝配質(zhì)量、以及精確的電流、電壓、氣壓控制，輔助以多向高壓壓縮焊縫后取得的。具體過程及參數(shù)如下1) 取銅管2、鉬管5各一個(gè)，銅管2—端縮口 ，鋁管5端面齊口；2) 銅管2縮口外表面焊接部位的表面粗糙度Ra0.4 0.1 n ;3) 鋁管5切斷下料，端面毛刺控制在0-0.05mm;4) 如圖1所示，銅管2插入到鋁管5中，放置在焊接設(shè)備焊接，其中 焊接設(shè)備的固定電極組4的焊接部位安裝有電極鑲嵌塊3;5) 焊接溫度647 665°C;6) 電流密度475安 515安/mm2;7) 電極氣缸壓力F3、 F4: 0.6Mpa 0.8 Mpa;8) 活動(dòng)電極組推進(jìn)壓力F2: 0.6Mpa 0.8 Mpa;9) 銅管內(nèi)部施加壓強(qiáng)F1 : 800kgf/cm2~1000kgf/cm2;10) 焊接時(shí)間0.6 0.8S電極鑲嵌塊3是一種硬度高、耐高溫、耐溶蝕、低導(dǎo)電、低導(dǎo)熱的材料， 我們使用的是Fe-Al金屬間化合物與Zr02陶瓷的復(fù)合材料，通過電極鑲嵌 塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅鋁接頭焊縫施加的多向壓力。本發(fā)明所述的焊接設(shè)備可以釆用 焊接插接式銅鋁焊接接頭的焊接設(shè)備，銅管內(nèi)部施加壓強(qiáng)可以釆用焊接芯棒 等實(shí)現(xiàn)。按照本發(fā)明生產(chǎn)的插接式銅鋁管焊接界面的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)焊縫斷面進(jìn)行 掃描式電子顯微鏡分析，銅管與鋁管之間由犬齒形柱狀晶組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成，犬 齒形柱狀晶晶粒的高度小于3Mm,寬度小于2nm。其金相結(jié)構(gòu)如圖5所示。按照本發(fā)明生產(chǎn)的插接式銅鋁管焊接接頭組織性能可以通過對(duì)銅鋁接 頭焊縫的拉伸試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn),銅管與鋁管之間是犬齒形柱狀晶組織結(jié)構(gòu)的焊 縫,在對(duì)銅鉬接頭的焊縫區(qū)域進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，鉬管破壞，而焊縫完好。銅鋁接頭焊縫區(qū)域拉伸試驗(yàn)方法以銅鋁接頭外表面焊縫為基準(zhǔn)，鋁管保留20mm，銅管保留50mm切下。用臺(tái)鉗固定銅管，鋁管在上，銅管在 下，在鋁管端面按4等份劃線，用鋸剖開，割至焊縫以下2mm，用尖嘴鉗 將沒有焊合的鋁管撕開(緩慢、均勻用力)，銅鉬焊縫之間未撕開部分由犬 齒形柱狀晶組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成。按照本發(fā)明生產(chǎn)的銅鋁接頭，由于消除了圖2中層片狀a-Al+CuAl2,形 成圖5單一的犬齒形柱狀晶組織，大大提高了材料的力學(xué)性能，銅鋁接頭具 有優(yōu)良的抗熱振性能，較長的疲勞壽命，較高的蠕變抗力和中溫塑性的綜合 性能。所形成的單一犬齒形柱狀晶的成分是CuAl2。本發(fā)明參照附圖和實(shí)施例進(jìn)行說明，但保護(hù)范圍不限于此，在本發(fā)明技 術(shù)范圍內(nèi)具有普通技術(shù)人員可以經(jīng)過簡單的變換，而獲得本發(fā)明同樣的技術(shù) 效果，同樣在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭，由銅管、鋁管構(gòu)成，其特征在于焊縫由鋁管、犬齒形柱狀晶、銅管構(gòu)成，鋁管、銅管通過犬齒形柱狀晶連接在一起，所述犬齒形柱狀晶成份為CuAl2。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭，其特征 在于所述犬齒形柱狀晶晶粒的高度小于3jum,寬度小于2um。
3、 如權(quán)利要求l或2所述的一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭，其 特征在于所述犬齒形柱狀晶的銅元素含量為Cu53. 3-54 wt%。
4、 一種如權(quán)利要求1所述的含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭的制備方 法，其特征在于取銅管、鉬管各一個(gè)，銅管一端縮口，鋁管端面齊口，銅管 管端縮口，縮口外表面焊接部位的表面粗糙度為Ra0.4 0.1w，鋁管切斷下 料，端面毛刺控制在0-0.05mm，銅管插入到鋁管中，放置在焊接設(shè)備上焊 接，所述焊接設(shè)備的固定電極組的焊接部位安裝有電極鑲嵌塊，焊接中焊接 溫度為647。C 665。C，電流密度為475安 515安/ mm2,電極氣缸壓力為 0.6Mpa~0.8 Mpa，活動(dòng)電極組推進(jìn)壓力為0.6Mpa~0.8 Mpa,銅管內(nèi)部施加壓 強(qiáng)為800kgf/cm2 1000kgf/cm2,焊接時(shí)間為0.6~0.8S。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭的制備方 法，其特征在于所述電極鑲嵌塊由Fe-Al金屬間化合物與Zr02陶瓷構(gòu)成的 復(fù)合材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含犬齒形柱狀晶結(jié)構(gòu)的銅鋁接頭及其制備方法。該銅鋁接頭由銅管、鋁管構(gòu)成，其特征在于焊接面由鋁管、犬齒形柱狀晶、銅管構(gòu)成，所述犬齒形柱狀晶成份為CuAl₂。焊接時(shí)，銅管外表面焊接部位的表面粗糙度Ra 0.4～0.1μ，鋁管端面毛刺控制在0.0-0.05mm，焊接中焊接溫度為647℃～665℃，電流密度為475安～515安/mm2，電極氣缸壓力為0.6MPa～0.8MPa，活動(dòng)電極組推進(jìn)壓力為0.6MPa～0.8MPa，銅管內(nèi)部施加壓強(qiáng)為800kgf/cm～1000kgf/cm²，焊接時(shí)間為0.6～0.8S。按照本發(fā)明生產(chǎn)的銅鋁接頭，由于消除接頭中的層片狀α-Al+CuAl₂，形成單一的犬齒形柱狀晶組織，大大提高了材料的力學(xué)性能，銅鋁接頭具有優(yōu)良的抗熱振性能，較長的疲勞壽命，較高的蠕變抗力和中溫塑性的綜合性能。
文檔編號(hào)C22C9/01GK101598251SQ20081011152
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者劉英才, 孫德興, 左鐵軍, 訓(xùn) 楊, 巖 王, 越 趙, 陳守剛 申請(qǐng)人:左鐵軍;趙 越