CN102581414A - 一种铜铝管无钎剂钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜铝管无钎剂钎焊方法，该方法先采用热胀法将铜、铝管任意一支的一端扩成承插口，采用冲压成型方法将钎料合金片制成钎料薄管放置于承插口内，然后将另一支焊接管的一端***钎料薄管内使其端口紧抵承插口底部形成紧密配合，再装配在焊接夹具上对接头部位进行局部感应加热，施加适当的焊接压力和超声振动。通过该方法可以实现薄壁铜铝管的无钎剂钎焊，熔合线长、焊缝致密、无夹渣，大大改善了接头气密性和结合强度，可靠性高，焊接时间短，有着很大的生产使用价值。

Description

一种铜铝管无钎剂钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料间的钎焊方法，尤其是一种铜铝管间无钎剂钎焊的方法。
背景技术
铜铝管的连接技术在制冷行业被广泛应用。采用铝管替代铜管作为换热器内部管道、连接管、循环***管道的主材料，不仅可以减少设备重量，还能大幅度的降低产品成本。正因为如此，薄壁铜铝管连接技术的开发一直以来都是制冷行业关注的热点。
铜铝管接头的技术指标包括：接头强度、耐腐蚀能力以及气密性，而影响这些技术指标的因素主要有：接头溶合线长度，接头内应力、接头杂质和气孔含量、以及接头组织的构成与分布。由于铜铝异质金属连接时存在一系列难点，如：铜与铝的物理性能（熔点、热导率、线膨胀系数、熔化热等）差异较大，直接焊接时容易在焊缝中残存较大的内应力；此外，铜铝之间容易形成层状的脆性金属见化合物，该化合物将对铜铝管接头的接头强度、耐疲劳性、以及可塑性等造成重要影响；再者，铝材表面存在的致密氧化铝薄膜对母材表面的润湿产生了很大阻碍作用。因此，缓解异质母材间物理性能的差异，减少层状脆性金属间化合物的形成，以尽可能的促进母材表面的润湿并增加熔合线的长度是获得优质铜铝焊接接头的关键。
目前生产上常用的铜铝管连接方式主要为固相焊和钎焊。其中，铜铝管的固相连接方法主要包括有摩擦对焊、电阻焊以及储能焊三种，由于是铜与铝的直接结合，因此通过这些方式制备的铜铝接头都有着一定厚度的脆性金属间化合物（IMC）并残存有较大内应力；这些方法在实施过程中均需要对母材施加较大的顶锻压力，并进行剧烈的相互摩擦或放电以使母材局部熔化，因此该类方法不适合于超薄铜铝管（如管壁厚度低于0.5mm）的连接；再者，通过固相焊的方法很难获得有较长熔合线的铜铝管接头（一般小于5mm）。
相比固相焊，钎焊在异种材料的连接中要更为普遍。与熔焊和固相焊相比，钎焊中钎料的使用缓解了异质母材间物理性能的差异，增强了接头的耐疲劳载荷能力；此外，钎焊还具有对复杂工件的适应性强，接头密封性好，溶蚀母材能力弱，在线生产能力强等众多优点。然而钎焊也有着较为突出的劣势，那就是必须使用钎剂。当通过钎焊的方法来制备铜铝管接头时，钎剂的使用一方面容易在焊缝内产生气孔和夹杂，从而极大地降低接头的耐腐蚀能力；另一方面还容易造成从焊缝中溢出的钎料在管壁上粘接，使得焊后除渣困难。此外，在有钎剂钎焊中，焊缝在升温的过程中一旦温度达到钎剂的活化温度，母材表面便被钎料所润湿，从而增加了钎料与母材的反应时间，钎料与母材间较长的反应时间，一方面将造成母材的过度溶蚀，从而不利于薄壁铜铝管接头的制备；另一方面还易滋生较厚的脆性金属间化合物，从而导致较差的接头可靠性。
中国专利申请CN102151930A异质金属材料间的钎焊方法，公开了一种通过超声振动辅助实现异种金属管材或棒材的无钎剂钎焊方法，该专利申请对超声辅助铜铝管无钎剂钎焊的原理、接头形状、卡具以及相关技术指标等作了详细说明。但通过进一步的研究发现，采用该发明方法所制备的铜铝管焊接接头熔合线较短、焊接成功率低等缺点，而且该方法不适用于超长管以及非直管接头的焊接。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种铜铝管无钎剂钎方法，采用本发明方法可获得较长熔合线铜铝管焊接接头。
本发明采用的技术方案是：一种铜铝管无钎剂钎焊方法，所述铜、铝管均包括需焊接的直管段，所述钎焊方法包括钎焊预置接头的准备步骤和超声振动辅助钎焊步骤，所述钎焊预置接头的准备步骤包括以下分步骤：
A1、将所述铜、铝管任意一支的直管段作为第一焊接管，采用热胀法将其一端扩成承插口，另一支的直管段作为第二焊接管；所述承插口包括承插直管部和承口过渡部，所述承插直管部的内径比第二焊接管的外径大50-800μm，承插直管部的深度为5-20mm；
A2、采用冲压成型方法将钎料合金片制成钎料薄管，所述钎料薄管的内径比第二焊接管外径小0-50μm，钎料薄管的管壁厚度比所述第一焊接管承插直管部内径与第二焊接管外径差值的一半大0-50μm，钎料薄管的长度比所述承插直管部的深度大1-10mm；
A3、将所述钎料薄管放置于第一焊接管的承插直管部内，随后将第二焊接管的一端***钎料薄管内使其端口紧抵第一焊接管的承口过渡部，所述第一焊接管的承插直管部与钎料薄管、钎料薄管与第二焊接管之间形成紧密配合，得到钎焊预置接头；
    所述超声辅助钎焊步骤包括以下分步骤：
B1、将钎焊预置接头装配在焊接夹具上：将第一焊接管、第二焊接管中的一支采用固定装置夹紧，而另一支焊接管装配在限定夹具上以使该管仅能沿其轴线方向上滑动（可轴向滑动的焊接管）；
B2、通过感应加热的方式对焊接预置接头的承插口部分进行局部加热使钎料薄管温度达到焊接温度，对可轴向滑动的焊接管施加沿该管轴线方向的焊接压力，压力大小为0.5-10MPa；
B3、对可轴向滑动的焊接管施加超声振动，超声作用时间为0.5-20秒；
B4、在超声振动停止后或者超声振动停止前0.1-5秒关闭感应加热，并继续保持压力装置的压力直至焊接接头冷却至20-300℃。
    其中所述的钎料合金为铝基钎料、锡基钎料、锌基钎料、铜基钎料或者银基钎料合金。
作为进一步的改进，所述步骤B2中通过超声变幅杆从可轴向滑动的焊接管的顶部直接施加焊接压力，步骤B3中超声振动的方向平行于焊接管的轴线方向。
作为进一步的改进，所述步骤B3中的超声振动从可轴向滑动的焊接管的侧部以单点或者多点点接触式超声振动的方式施加，超声振动的方向垂直于所接触管壁的切面，超声变幅杆与管壁的接触压力为0.1-5MPa。
作为进一步的改进，所述步骤B1中的限定夹具为超声变幅杆，所述超声变幅杆的头部包括紧固装置，所述超声变幅杆具有平行于焊接管轴线方向的自由度，所述紧固装置用于固紧所述的另一支焊接管使该管仅能沿其轴线方向滑动；所述步骤B2中的焊接压力和所述步骤B3中的超声振动通过所述超声变幅杆的紧固装置施加，所述焊接压力的方向平行于所述焊接管的轴线方向，所述超声振动的方向垂直或者平行于所述焊接管的轴线方向。
优选的，上述技术方案中，所述步骤B2中的焊接温度比所述钎料合金的熔点高1-150℃。
优选的，上述技术方案中，所述步骤B3中超声振动的频率为10-70kHz，振幅为8-60μm。
本发明的铜铝管无钎剂钎焊方法具有如下有益技术效果：
1、本发明方法中焊接接头采用杯型管口及紧密配合的整体钎料片方式，结合超声在焊缝内的均匀作用促进了熔合线的形成，实现了较长熔合线焊缝的制备，而且接头致密、孔隙率低、焊缝组织细密均匀，从而大大改善了接头气密性和结合强度；
2、减少了层状IMC的形成，其IMC层能有效控制在3μm以下，大大低于铜铝焊接接头中因脆性IMC引起接头时效时的IMC层临界厚度值（约10μm），提高了接头的可靠性；
3、在超声振动施加之前母材与钎料间将不发生润湿反应，从而缩短了钎料与母材的反应时间，减弱了钎料对母材的溶蚀，适合于薄壁铜铝管的连接；
4、在接头管壁外的区域即便有钎料溢出也会因为管壁的抖动而被甩离管壁；铜铝管***管口与杯型扩口底部配合紧密加上在铜铝管轴向施加有恒定压力，使得熔融钎料将很难在管内溢出，因此采用该方法焊接后基本无顽固残渣；
5、本发明方法焊接时间短，生产效益高，可以实现自动化焊接；
6、通过改变超声振动施加位置，可以实现弯管以及较长铜铝管的连接。
附图说明
图1是超声振动作用于铝管顶部的焊接示意图；
图2是超声振动作用于铜管底部的焊接示意图；
图3是超声振动作用于铝管侧壁的焊接示意图；
图4是超声振动以环壁接触的方式垂直作用于铝管侧壁的焊接示意图；
图5是超声振动以环壁接触的方式平行于铝管轴向作用于铝管侧壁的焊接示意图；
图6是图4、图5所示环壁接触方式超声变幅杆的示意图。
具体实施方式
以下是本发明的实施例，通过这些实施例并结合附图可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1
参看图1， 取T2铜管1和1060铝管2各一支，铜、铝管尺寸均为：管壁厚度0.5mm、管长80mm、外径8mm。将铜、铝管管口修平整后，采用热胀法将铜管1的一端管口扩为承插口，承插口包括承插直管部11和承口过渡部12，其中承插直管部11的深度为10mm、内径为8.2mm。取Zn-4Al钎料合金片（熔点为380℃）一张，通过冲压机冲出厚度为0.1mm、内径为8mm、长度为12mm的钎料薄管3。将铝管2待焊一端管口、铜管1承插口和钎料薄管3通过超声波清洗机清洗并晾干，随后将钎料薄管3***铜管1承插口的承插直管部11内，再将铝管2的待焊接端***钎料薄管3内并使端口紧抵承口过渡部12，从而铜管1的承插直管部11与钎料薄管3、钎料薄管3与铝管1的待焊端之间形成紧密配合。
将装配好的铜、铝管钎焊预置接头安装在焊接夹具上，其中将铝管2放入限定夹具5内，限定夹具5使铝管2只能沿其轴线方向上滑动（即轴向滑动），铜管1则通过固定夹具4夹紧。将固定好的铜、铝管钎焊预置接头移入感应线圈6内，线圈6正好覆盖住铜管1的承插口部分，以能够对钎焊预置接头进行局部加热；调整红外测温仪，并在焊接的过程中对焊接温度进行实时监控。
开启感应加热装置对铜、铝管钎焊预置接头进行局部快速加热，当温度达到420℃时，启动超声振动机的加压装置，使超声变幅杆7从铝管2另一端管口沿管轴向施加5MPa的恒定焊接压力，1秒钟后超声振动自动开启并对铝管2施加沿管轴向的高频振动，超声振动频率为20kHz，振幅为30μm，振动时间为4秒。振动结束后停止感应加热，待铜、铝管温度降至60℃时停止施加压力并取出焊好的铜、铝管。
对焊好的铜、铝管接头取纵截面进行显微分析，结果表明焊接熔合线的平均长度达到10mm，即承插口内铜、铝管重合部位均被焊合；焊缝结构致密，组织分布均匀，无明显气孔和夹杂存在；焊缝IMC层的平均厚度约为2.3μm。对铜、铝管进行拉伸测试，接头断裂失效部位均发生于铝母材中。
实施例2
参看图2，本实施例与实施例1相比，不同的是将钎焊预置接头装于夹具时，将铜管1放入限定夹具5内，限定夹具5使铜管1只能沿其轴线方向上滑动（即轴向滑动），铝管2则通过固定夹具4夹紧；焊接压力和超声振动通过超声变幅杆7从铜管1另一端管口沿管轴向施加，其他步骤方法与实施例1相同。
对焊好的铜、铝管接头取纵截面进行显微分析，结果表明焊接熔合线的平均长度达到10mm，即承插口内铜、铝管重合部位均被焊合；焊缝结构致密，组织分布均匀，无明显气孔和夹杂存在；焊缝IMC层的平均厚度约为2.2μm。对铜、铝管进行拉伸测试，接头断裂失效部位均发生于铝母材中。
实施例3
参看图3，本实施例与实施例1相比，不同的是焊接压力通过压力装置8在铝管2的端部沿轴向施加，超声振动由超声变幅杆7从铝管2的侧壁施加，其他步骤方法与实施例1相同。
具体的实施过程为：待接头温度达到420℃后，通过压力装置8在铝管2端部施加恒定焊接压力，压力大小为3MPa；待压力稳定后，启动超声的压力装置，使超声变幅杆7对铝管2管壁施加0.5MPa的接触压力，随后开启超声振动，振动方向与铝管轴向垂直，超声振动频率为30kHz，振幅为20μm，振动时间为5秒；振动结束后停止感应加热、移开超声变幅杆7并继续保持压力装置8的轴向压力；待铜铝管冷却至300℃以下时卸除压力并取出焊好的铜铝管接头。
对焊好的铜、铝管接头取纵截面进行显微分析，结果表明焊接熔合线的平均长度达到10mm，即承插口内铜、铝管重合部位均被焊合；焊缝结构致密，组织分布均匀，无明显气孔和夹杂存在；焊缝IMC层的平均厚度约为2.5μm。对铜、铝管进行拉伸测试，接头断裂失效部位均发生于铝母材中。
实施例4
参看图4，本实施例与实施例1相比，不同的是：限定夹具为超声变幅杆7头部的紧固装置，如图6所示，紧固装置包括两个与铝管2外径相适配的端部卡环71和活动卡环72，两个卡环两端可通过螺栓将铝管2紧固或一端用铰链另一端用螺栓将铝管2紧固，超声变幅杆7具有平行于铝管2轴线方向的自由度，使得铝管2只能沿其轴线方向上滑动；焊接压力和超声振动由超声变幅杆7通过紧固装置施加，超声振动的方向垂直于铝管2的轴线方向。其他步骤方法与实施例1相同。
具体的实施过程为：将装配好的铜、铝管钎焊预置接头中的铜管1通过固定夹具4夹紧，随后将铝管2固定在超声变幅杆7的紧固装置上。将感应线圈移到铜、铝管的焊接接头处，随后开启感应加热装置对铜、铝管焊接接头进行局部快速加热，当温度达到420℃时，启动超声变幅杆7上的加压装置，使超声变幅杆7对铝管2施加沿铝管2轴向的焊接压力，压力大小为2MPa ，1秒钟后超声振动自动开启并对铝管2施加垂直于铝管2轴线方向的高频振动。超声振动频率为60kHz，振幅为20μm，振动时间为4秒。振动结束前0.5秒停止感应加热并继续保压，待铜铝管温度降至300℃以下时停止施加压力并取出焊好的铜铝管。
对焊好的铜、铝管接头取纵截面进行显微分析，结果表明焊接熔合线的平均长度达到10mm，即承插口内铜、铝管重合部位均被焊合；焊缝结构致密，组织分布均匀，无明显气孔和夹杂存在；焊缝IMC层的平均厚度约为2.7μm。对铜、铝管进行拉伸测试，接头断裂失效部位均发生于铝母材中。
实施例5
参看图5，本实施例与实施例4相比，唯一的不同是施加超声振动的方向为平行于铝管2的轴线方向，其他步骤方法与实施例4相同。
对焊好的铜、铝管接头取纵截面进行显微分析，结果表明焊接熔合线的平均长度达到10mm，即承插口内铜、铝管重合部位均被焊合；焊缝结构致密，组织分布均匀，无明显气孔和夹杂存在；焊缝IMC层的平均厚度约为3.0μm。对铜、铝管进行拉伸测试，接头断裂失效部位均发生于铝母材中。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的范围只局限于这些说明。上述实施例中还可将铝管一端扩为承插口而用铜管***焊接，或者超声振动施加到铜管上等等，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铜铝管无钎剂钎焊方法，所述铜、铝管均包括需焊接的直管段，其特征在于：所述钎焊方法包括钎焊预置接头的准备步骤和超声振动辅助钎焊步骤，所述钎焊预置接头的准备步骤包括以下分步骤：
A1、将所述铜、铝管任意一支的直管段作为第一焊接管，采用热胀法将其一端扩成承插口，另一支的直管段作为第二焊接管；所述承插口包括承插直管部和承口过渡部，所述承插直管部的内径比第二焊接管的外径大50-800μm，承插直管部的深度为5-20mm；
A2、采用冲压成型方法将钎料合金片制成钎料薄管，所述钎料薄管的内径比第二焊接管外径小0-50μm，钎料薄管的管壁厚度比所述第一焊接管承插直管部内径与第二焊接管外径差值的一半大0-50μm，钎料薄管的长度比所述承插直管部的深度大1-10mm；
A3、将所述钎料薄管放置于第一焊接管的承插直管部内，随后将第二焊接管的一端***钎料薄管内使其端口紧抵第一焊接管的承口过渡部，所述第一焊接管的承插直管部与钎料薄管、钎料薄管与第二焊接管之间形成紧密配合，得到钎焊预置接头；
    所述超声辅助钎焊步骤包括以下分步骤：
B1、将钎焊预置接头装配在焊接夹具上：将第一焊接管、第二焊接管中的一支采用固定装置夹紧，而另一支焊接管装配在限定夹具上以使该管仅能沿其轴线方向上滑动；
B2、通过感应加热的方式对焊接预置接头的承插口部分进行局部加热使钎料薄管温度达到焊接温度，对可轴向滑动的焊接管施加沿该管轴线方向的焊接压力，压力大小为0.5-10MPa；
B3、对可轴向滑动的焊接管施加超声振动，超声作用时间为0.5-20秒；
B4、在超声振动停止后或者超声振动停止前0.1-5秒关闭感应加热，并继续保持压力装置的压力直至焊接接头冷却至20-300℃。
2.根据权利要求1所述的铜铝管无钎剂钎焊方法，其特征在于：所述步骤B2中的焊接温度比所述钎料合金的熔点高1-150℃。
3.根据权利要求1或2所述的铜铝管无钎剂钎焊方法，其特征在于：所述步骤B3中超声振动的频率为10-70kHz，振幅为8-60μm。
4.根据权利要求1或2所述的铜铝管无钎剂钎焊方法，其特征在于：所述步骤B2中通过超声变幅杆从可轴向滑动的焊接管的顶部直接施加焊接压力，步骤B3中超声振动的方向平行于焊接管的轴线方向。
5.根据权利要求1或2所述的铜铝管无钎剂钎焊方法，其特征在于：所述步骤B3中的超声振动从可轴向滑动的焊接管的侧部以单点或者多点点接触式超声振动的方式施加，超声振动的方向垂直于所接触管壁的切面，超声变幅杆与管壁的接触压力为0.1-5MPa。
6.根据权利要求1或2所述的铜铝管无钎剂钎焊方法，其特征在于：所述步骤B1中的限定夹具为超声变幅杆，所述超声变幅杆的头部包括紧固装置，所述超声变幅杆具有平行于焊接管轴线方向的自由度，所述紧固装置用于固紧所述的另一支焊接管使该管仅能沿其轴线方向滑动；所述步骤B2中的焊接压力和所述步骤B3中的超声振动通过所述超声变幅杆的紧固装置施加，所述焊接压力的方向平行于所述焊接管的轴线方向，所述超声振动的方向垂直或者平行于所述焊接管的轴线方向。
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