專利名稱：銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝。
背景技術：
目前在冰箱及空調的制冷劑連接管上，采用電阻焊方式焊接的銅與純鋁或鋁錳系 列的鋁合金得到的銅鋁接頭已經得到了成功應用。但是，對于空調的熱交換器來說，由于制 冷劑連接管與空調壓縮機相連，振動較大，如果使用純鋁或鋁錳系列的鋁合金的話，由于鋁 管的抗拉強度較低，在運輸及使用過程中，在銅鋁接頭的鋁側容易發生斷裂或開裂，從而帶 來嚴重的質量隱患。銅鋁接頭的鋁側是指銅鋁接頭位于鋁合金的一側。為了提高銅鋁接頭的鋁側的抗拉強度，可以采用含有鎂和硅的鋁合金，但是即使 是采用了含有鎂和硅的鋁合金，其抗拉強度也遠遠低于銅的抗拉強度，在摩擦焊過程進行 摩擦或頂鍛力比較大時，會使銅鋁接頭的鋁側因受力發生嚴重變形，無法與銅材對接而焊 接在一起。若減小頂鍛力，則無法將摩擦受熱過程中生產的金屬間化合物順利擠出而獲得 有著足夠抗拉強度的焊接接頭。因此，提高鋁合金的抗拉強度，并縮小鋁合金和銅材之間的 抗拉強度差值，是解決鋁合金和銅材摩擦焊可靠焊接的關鍵。
發明內容
本發明的目的旨在提供一種操作靈活、制作成本低、焊接質量好、適用范圍廣的銅 材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，以克服現有技術中的不足之處。按此目的設計的一種銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是包括以下步驟第一步，焊接前對銅材進行熱處理將銅材放置在加熱爐中，緩慢升溫到Tl，保溫 tl分鐘后，銅材隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，Tl的溫度范圍為160 -220°c，tl的時間 范圍是3 120分鐘；第二步，焊接前對鋁合金材進行熱處理將鋁合金材放置在加熱爐中，緩慢升溫 到T2，保溫t2分鐘后，鋁合金材隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T2的溫度范圍為160 240°C, t2的時間范圍是120分鐘 720分鐘；第三步，對要進行焊接的銅材及鋁合金材的端口進行切削，除去表面的氧化膜及 油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度為5 20 μ m ；第四步，使銅材和鋁合金材處于同一軸線上，采用摩擦焊接的方法，使這兩種材料 的接觸處對接焊在一起，銅材和鋁合金材的結合面形成焊接接頭。所述銅材為純銅、無氧銅或者磷脫氧銅；所述鋁合金材為含硅量0. 1 4. 0 % (wt %，下同)，含鎂量0. 2 6. 0 %的鋁合金。所述鋁合金為六系鋁合金。還包括第五步，在焊接后對焊接接頭進行熱處理將焊接接頭放置在加熱爐中，緩 慢升溫到T3，保溫t3分鐘后，焊接接頭隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T3的溫度范圍為 120 150°C，t3的時間范圍是10 150分鐘。
所述銅材和鋁合金材為管材或棒材，當銅材和鋁合金材為管材時，銅材和鋁合金材的外徑與壁厚相等。所述緩慢升溫是指每分鐘溫度升高10度。所述加熱爐的內部充滿惰性氣體。惰性氣體為干燥的氮氣。本發明通過對焊接前的銅材和鋁合金材進行熱處理，對焊接形成的焊接接頭進行 熱處理，從而提高鋁合金材在焊接前的抗拉強度，同時降低銅材的抗拉強度，使得銅材和鋁 合金材的抗拉強度盡量匹配，保證摩擦焊接得到的焊接接頭的結合處有足夠的抗拉強度， 避免出現虛焊、漏焊等焊接缺陷，提高焊接質量。而對焊接后的焊接接頭進行熱處理，可以 使其結合處的抗拉強度進一步提高，杜絕質量隱患。本發明具有操作靈活、制作成本低、適用范圍廣的特點。
圖1為本發明一實施例結構示意圖。圖中1為銅材，2為鋁合金材，3為焊接接頭。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述。在工業生產中，通過把硅和鎂熔融到純鋁中而形成含硅鎂的鋁合金，通常情況下， 硅的含量為0. 1 4.0% (Wt %，下同)，鎂的含量為0.2 6.0%，也包括其他需要調節鋁 合金性能而添加的金屬成分，主要成分為鋁材，而按照這種配方冶煉的鋁合金都能按照本 發明揭露的工藝，實現滿足焊接抗拉強度要求的摩擦焊產品。其中，最常用的作為國家標準 采用的是硅的含量為0. 2 1. 7%，鎂的含量為0. 35 1. 2%的六系鋁合金。六系鋁合金 為冶金專業的術語，六系鋁合金與其他系的鋁合金相比含有較多的硅和鎂，如編號為6061、 6063的六系鋁合金。眾所周知，摩擦焊接工藝適用于焊接的兩個部件的接觸表面中，至少一個部件可 以旋轉，因此這種工藝既可以適用于同管徑且等壁厚的管材的對焊，也可以適用于平面之 間的焊接，如板材之間的焊接。在本發明的實施例中，是以管材之間的焊接為例，但是本領 域的技術人員可以很容易地聯想到本發明披露的技術同樣可以應用于平面之間的焊接。第一實施例參見圖1，純銅管與6061的六系鋁合金管的摩擦焊接工藝，包括以下步驟第一步，焊接前對純銅管進行熱處理將純銅管放置在加熱爐中，緩慢升溫到 180°c，保溫3分鐘后，純銅管隨加熱爐自然冷卻至常溫；第二步，焊接前對6061的六系鋁合金管進行熱處理將6061的六系鋁合金管放置 在加熱爐中，緩慢升溫到160°C，保溫720分鐘后，6061的六系鋁合金管隨加熱爐自然冷卻
至常溫；第三步，對要進行焊接的純銅管及6061的六系鋁合金管的端口進行切削，以除去 表面的氧化膜及油污，并使端口平整，各端口的表面粗糙度均控制在15 μ m士2 μ m ；第四步，使純銅管及6061的六系鋁合金管處于同一軸線上，采用摩擦焊接的方 法，使純銅管及6061的六系鋁合金管的端口對接焊在一起，純銅管及6061的六系鋁合金管的結合面形成焊接接頭3。經過第一步對純銅管的焊接前的熱處理，退火后的純銅管的抗拉強度由退火前的383MPa減低到174MPa，使得處理后的純銅管的抗拉強度可以更加接近6061的六系鋁合金 管的抗拉強度。對于第一步，優選的是在加熱爐中通入惰性氣體，避免純銅管在高溫情況下與空 氣產生氧化反應，優選的氣體為干燥的氮氣。對于第一步，所述的緩慢升溫，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸地升高加熱 爐內的溫度。第二步對6061的六系鋁合金管的焊接前的熱處理，使得經過人工時效后的6061 的六系鋁合金管的抗拉強度高達330MPa。這樣，處理后的6061的六系鋁合金管抗拉強度明 顯增強。對于第二步，所述的緩慢升溫到160°C，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸地 升高加熱爐內的溫度。第三步對端口進行切削，使得端口平整更利于焊接。第四步的摩擦焊接管材使用的方法為本領域技術人員公知的技術，本發明就不做 進一步詳述。由于在摩擦焊接之前對純銅管和6061的六系鋁合金管進行了熱處理，使得原 有純銅管和6061的六系鋁合金管的抗拉強度有了明顯的改變。在原來的銅鋁摩擦焊中，鋁 合金管由于質地比較軟，特別是溫度升高后的質地明顯變軟，導致軸向壓力稍大就會產生 比銅管大得多的變形。而采用本發明披露的焊接工藝后，可以降低純銅管和6061的六系鋁 合金管之間的抗拉強度差異，即使在摩擦焊接過程中，溫度升高且軸向有比較大的壓力情 況下，純銅管和6061的六系鋁合金管的變形量相匹配，從而保證了焊接接頭的質量。本實施例中的純銅管的截面和6061的六系鋁合金管的截面相同。第二實施例本實施例與第一實施例的不同之處在于，銅管的材料采用無氧銅，其它完全按照 實施例一的工藝加工后，對加工制造后得的焊接接頭3進行加熱處理，使得焊接接頭3的抗 拉強度進一步提高。具體步驟有第五步，焊接后對焊接接頭3進行熱處理將焊接接頭3放置在加熱爐中，緩慢升 溫到120°C，保溫60分鐘后，焊接接頭3隨加熱爐自然冷卻至常溫。一般情況下，加熱爐的容積為足夠大，可以放入焊接接頭3相接的銅管和鋁合金管。第五步對焊接接頭3進行焊接后的熱處理，使得熱處理后的焊接接頭3的抗拉強 度有明顯的提高，由于摩擦焊過程中產生的高溫，使得銅鋁結合處產生了金屬間化合物，而 且這種金屬間化合物的成分分布不均勻，靠近銅管側的銅濃度較高，而靠近鋁合金管側的 鋁濃度較高，這種成分上的不均勻會使得焊接接頭的抗拉強度也是不均勻和不穩定的。經 過熱處理后，焊接接頭處的金屬間化合物可以充分混合均勻，使焊接接頭的抗拉強度均勻 和穩定化，從而提高焊接接頭的整體抗拉強度。通過焊接后的熱處理對焊接接頭的強度進 行強化，焊接接頭的抗拉強度可以增強到llOMPa。對于第五步，優選的是在加熱爐中注入惰性氣體，避免銅管在高溫情況下與空氣 產生化學反應，優選的氣體為干燥的氮氣。至于鋁合金管，在此溫度下與氧氣反應后，在其表面會形成致密的氧化膜，阻止氧化的進一步深入。其余未述部分見第一實施例，不再重復。第三實施例牌號為TP2的銅管與編號為6063的六系鋁合金管之間的摩擦焊接工藝，包括以下 步驟第一步，焊接前對TP2銅管進行熱處理將TP2銅管放置在加熱爐中，緩慢升溫到 200°C，保溫3分鐘后，銅管隨加熱爐自然冷卻至常溫；第二步，焊接前對6063的六系鋁合金管進行熱處理將6063的六系鋁合金管放置 在加熱爐中，緩慢升溫到200°C，保溫180分鐘后，6063的六系鋁合金管隨加熱爐自然冷卻
至常溫；第三步，對要進行焊接的TP2銅管及6 063的六系鋁合金管的坯料的端口進行切 肖|J，以除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度控制在7 μ m士 2 μ m ；第四步，使TP2銅管和6063的六系鋁合金管處于同一軸線上，采用摩擦焊接的方 法，使TP2銅管和6063的六系鋁合金管的端口對接焊在一起，TP2銅管和6063的六系鋁合 金管的結合面形成焊接接頭。第五步，焊接后對焊接接頭進行熱處理將摩擦焊接好的焊接接頭放置在加熱爐 中，緩慢升溫到150°C，保溫120分鐘后，焊接接頭隨加熱爐自然冷卻至常溫。其中，第一步對TP2銅管的進行焊接前的熱處理，使得在退火后的TP2銅管的抗拉 強度減低到250MPa，使得處理后的TP2銅管的抗拉強度可以更加接近6063的六系鋁合金管 的抗拉強度。對于第一步，優選的是在加熱爐中沖注惰性氣體，避免銅在高溫情況下與空氣產 生化學反應，優選的氣體為干燥的氮氣。對于第一步，所述的緩慢升溫到200°C，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸地 升高加熱爐內的溫度。第二步對6063的六系鋁合金管的焊接前的熱處理，使得經過人工時效處理的 6063的六系鋁合金管的抗拉強度升高到290MPa，使得處理后的6063的六系鋁合金管的抗 拉強度明顯增強。對于第二步，所述的緩慢升溫到200°C，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸的 升高加熱爐內的溫度。第三步對端口進行切削，使得端口平整更利于焊接，粗糙度控制在5-20 μ m是適 于實現的。第四步中的摩擦焊接管材使用的方法是本領域技術人員公知的技術，本發明就不 做進一步詳述。由于在摩擦焊接之前對TP2銅管和6063的六系鋁合金管的熱處理，使得原 有TP2銅管和6063的六系鋁合金管的抗拉強度有了明顯的改變。在原先的銅鋁摩擦焊中，6063的六系鋁合金管由于質地比較軟，特別是溫度升高 后質地明顯變軟，導致軸向壓力稍大就造成6063的六系鋁合金管的變形較大。采用本發明 披露的焊接工藝，可以減小6063的六系鋁合金管與TP2銅管之間的抗拉強度差異，即使在 摩擦焊接過程中，溫度升高的情況下，仍然可以保證軸向有比較大的壓力情況下，6063的六 系鋁合金管不會發生過大的塑性變形，保證了焊接接頭的質量。
第五步對焊接接頭3進行焊接后的熱處理，使得熱處理后的焊接接頭3的抗拉強 度有明顯的提高。由于摩擦焊過程中產生的高溫，使得銅鋁結合處產生了金屬間化合物，而 且這種金屬間化合物的成分分布不均勻，靠近銅管側的銅濃度較高，而靠近鋁合金管側的 鋁濃度較高，這種成分上的不均勻會使得焊接接頭的抗拉強度也是不均勻和不穩定的。經 過熱處理后，焊接接頭處的金屬間化合物可以充分混合均勻，使焊接接頭的抗拉強度均勻 和穩定化，從而提高焊接接頭的整體抗拉強度。所以在經過了焊接后的熱處理對焊接接頭 的強化后，抗拉強度可以增強到80MPa。對于第五步，優選的是在加熱爐中注入惰性氣體，避免銅在高溫情況下與空氣產 生化學反應，優選的氣體為干燥的氮氣。其余未述部分見第一實施例，不再重復。第四實施例
含鎂和硅的鋁合金管，其中，硅的含量為1.5%，鎂的含量為1.0%。含鎂和硅的鋁合金管與牌號為TP2的銅管之間的摩擦焊接工藝，其步驟包括第一步，焊接前對TP2銅管進行熱處理將TP2銅管放置在加熱爐中，緩慢升溫到 180°C，保溫3分鐘后，銅管隨加熱爐自然冷卻至常溫；第二步，焊接前對含鎂和硅的鋁合金管進行熱處理將含鎂和硅的鋁合金管放置 在加熱爐中，緩慢升溫到170°C，保溫180分鐘后，含鎂和硅的鋁合金管隨加熱爐自然冷卻 至常溫；第三步，對要進行焊接的TP2銅管及含鎂和硅的鋁合金管的坯料的端口進行切 肖|J，以除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度控制在7 μ m士 2 μ m ；第四步，使TP2銅管和含鎂和硅的鋁合金管處于同一軸線上，采用摩擦焊接的方 法，使TP2銅管和含鎂和硅的鋁合金管的端口對接焊在一起，TP2銅管和含鎂和硅的鋁合金 管的結合面形成焊接接頭。第五步，焊接后對焊接接頭進行熱處理將摩擦焊接好的焊接接頭放置在加熱爐 中，緩慢升溫到150°C，保溫120分鐘后，焊接接頭隨加熱爐自然冷卻至常溫。其中，第一步對TP2銅管的焊接前的熱處理，使得在退火后的TP2銅管的抗拉強度 減低到174MPa，使得處理后的TP2銅管的抗拉強度可以更加接近鋁合金管的抗拉強度。對于第一步，優選的是在加熱爐中沖注惰性氣體，避免銅在高溫情況下與空氣產 生化學反應，優選的氣體為干燥的氮氣。對于第一步，所述的緩慢升溫到200°C，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸地 升高加熱爐內的溫度。第二步對含鎂和硅的鋁合金管的焊接前的熱處理，使得在人工時效后的含鎂和硅 的鋁合金管的抗拉強度升高到270MPa，使得處理后的含鎂和硅的鋁合金管的抗拉強度明顯 增強。對于第二步，所述的緩慢升溫到170°C，是指按照每分鐘升高10°C的速度，逐漸的 升高加熱爐內的溫度。第三步對端口進行切削，使得端口平整更利于焊接，粗糙度控制在5-20 μ m是適 于實現的。第四步中的摩擦焊接管材使用的方法是本領域技術人員公知的技術，本發明就不做進一步詳述。由于在摩擦焊接之前對TP2銅管和含鎂和硅的鋁合金管的預處理，使得原有的TP2銅管和含鎂和硅的鋁合金管的抗拉強度有了明顯的改變。在原先的銅鋁摩擦焊中，含鎂和硅的鋁合金管由于質地比較軟，特別是溫度升高 后質地明顯變軟，導致軸向壓力稍大就使含鎂和硅的鋁合金管產生形變。采用本發明披露 的焊接工藝，可以減小含鎂和硅的鋁合金管與TP2銅管之間的抗拉強度差異，即使在摩擦 焊接過程中，溫度升高的情況下，仍然可以保證軸向有比較大的壓力情況下，含鎂和硅的鋁 合金管不會發生過大的塑性形變，保證了焊接頭的質量。第五步對焊接接頭3進行焊接后的熱處理，使得熱處理后的焊接接頭3的抗拉強 度有明顯的提高，由于摩擦焊過程中產生的高溫，使得銅鋁結合處產生了金屬間化合物，而 且這種金屬間化合物的成分分布不均勻，靠近銅管側的銅濃度較高，而靠近鋁合金管側的 鋁濃度較高，這種成分上的不均勻會使得焊接接頭的抗拉強度也是不均勻和不穩定的。經 過熱處理后，焊接接頭處的金屬間化合物可以充分混合均勻，使焊接接頭的抗拉強度均勻 和穩定化，從而提高焊接接頭的整體抗拉強度。所以在經過了焊接后的熱處理對焊接接頭 的強化后，焊接接頭的抗拉強度可以增強到90MPa。對于第五步，優選的是在加熱爐中沖注惰性氣體，避免銅在高溫情況下與空氣產 生化學反應，優選的氣體為干燥的氮氣。其余未述部分見第一實施例，不再重復。
權利要求
一種銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是包括以下步驟第一步，焊接前對銅材(1)進行熱處理將銅材(1)放置在加熱爐中，緩慢升溫到T1，保溫t1分鐘后，銅材(1)隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T1的溫度范圍為160～ 220℃，t1的時間范圍是3～120分鐘；第二步，焊接前對鋁合金材(2)進行熱處理將鋁合金材(2)放置在加熱爐中，緩慢升溫到T2，保溫t2分鐘后，鋁合金材(2)隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T2的溫度范圍為160～240℃，t2的時間范圍是120分鐘～720分鐘；第三步，對要進行焊接的銅材(1)及鋁合金材(2)的端口進行切削，除去表面的氧化膜及油污，并使端口平整，端口的表面粗糙度為5～20μm；第四步，使銅材(1)和鋁合金材(2)處于同一軸線上，采用摩擦焊接的方法，使這兩種材料的接觸處對接焊在一起，銅材(1)和鋁合金材(2)的結合面形成焊接接頭(3)。
2.根據權利要求1所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述銅材(1)為 純銅、無氧銅或者磷脫氧銅；所述鋁合金材(2)為含硅量0.1 4.0% ，下同)，含鎂 量0.2 6.0%的鋁合金。
3.根據權利要求2所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述鋁合金為六 系招合金ο
4.根據權利要求1所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是還包括第五步， 在焊接后對焊接接頭(3)進行熱處理將焊接接頭(3)放置在加熱爐中，緩慢升溫到T3，保 溫t3分鐘后，焊接接頭(3)隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T3的溫度范圍為120 150°C， t3的時間范圍是10 150分鐘。
5.根據權利要求1至4任一所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述銅 材(1)和鋁合金材(2)為管材或棒材，當銅材(1)和鋁合金材(2)為管材時，銅材(1)和鋁 合金材(2)的外徑與壁厚相等。
6.根據權利要求5所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述緩慢升溫是 指每分鐘溫度升高10度。
7.根據權利要求6所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述加熱爐的內 部充滿惰性氣體。
8.根據權利要求7所述的銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，其特征是所述惰性氣體為 干燥的氮氣。
全文摘要
一種銅材與鋁合金材的摩擦焊接工藝，包括以下步驟第一步，焊接前對銅材進行熱處理將銅材放置在加熱爐中，緩慢升溫到T1，保溫t1分鐘后，銅材隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T1的溫度范圍為160～-220℃，t1的時間范圍是3～120分鐘；第二步，焊接前對鋁合金材進行熱處理將鋁合金材放置在加熱爐中，緩慢升溫到T2，保溫t2分鐘后，鋁合金材隨加熱爐自然冷卻至常溫，其中，T2的溫度范圍為160～240℃，t2的時間范圍是120分鐘～720分鐘；第三步，對要進行焊接的銅材及鋁合金材的端口進行切削，除去表面的氧化膜及油污。本發明具有操作靈活、制作成本低、適用范圍廣的特點。
文檔編號B23K20/233GK101954539SQ20101050345
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月1日 優先權日2010年10月1日
發明者劉陽, 陳湘平 申請人:廣東美的電器股份有限公司