專利名稱：V形面銅鋁焊接加工工藝及電力電纜用焊接接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擠壓電阻焊接工藝，尤其是銅鋁金屬焊接工藝。本發(fā)明還涉及一種用上述方法生產(chǎn)的焊接接頭，尤其是電力電纜用銅鋁焊接接頭。
背景技術(shù)：
在銅資源緊缺，鋁制電力電纜、線(以下簡稱鋁導(dǎo)體)代替銅制電力電纜、線(以下簡稱銅導(dǎo)體)的呼聲越來越高。鋁代銅成為節(jié)約銅資源的有效手段之一，但推廣鋁導(dǎo)體首先要解決電力電纜、電力導(dǎo)體的銅鋁連接問題，最好的方案是用焊接方式加工的銅鋁接頭做中間過渡段，用銅鋁接頭的銅鋁兩端連接銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體。用摩擦焊接方法、閃光電阻焊接方法可以焊接銅和鋁，但這兩種方法均采用銅鋁端面連接，接觸面無法全部熔合，實(shí)際使用中，受焊接方法自身能力的制約，經(jīng)常出現(xiàn)銅鋁熔合不好，造成“不過渡”，從而引起接頭發(fā)熱，導(dǎo)電性能也不能完全滿足使用要求；未熔合部分會形成應(yīng)力集中，存在開裂隱患，甚至脫落，造成電器事故或人員傷亡等災(zāi)害事故，鋁導(dǎo)體與銅導(dǎo)體不能實(shí)現(xiàn)可靠連接，阻礙了鋁電纜的推廣應(yīng)用。已有銅鋁管電阻焊技術(shù)采用銅管插入到鋁管然后進(jìn)行焊接的方式，盡管可以獲得致密度好的管路接頭結(jié)構(gòu)，但這種銅鋁組合管路件的材料特征是壁厚較薄，電力電纜要求使用厚壁甚至實(shí)芯銅棒；用于電力電纜的銅鋁接頭的銅端的斜面不能完全采用精密輥鍛方式加工成型；厚壁鋁管的表面氧化物清除方式與薄壁鋁管不相同，不加以改造創(chuàng)新不能直接用于電力電纜導(dǎo)體用銅鋁接頭的焊接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種適合厚壁銅鋁焊接的V形面擠壓電阻焊接工藝。對于上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣解決的
步驟一用機(jī)加工方法對銅管一端加工，形成具有錐度β的焊接面，此時(shí)銅管位于焊接面區(qū)域的內(nèi)徑略為收縮形成具有收縮角Y的內(nèi)收縮處；
所述錐度β依據(jù)鋁管外徑dl、銅管外徑d2、鋁管內(nèi)徑d3按下述公式確定β =A — 0. 15*dl + 3*d2 - 2. 7*d3，其中 A 的取值范圍為 14 至 16 。步驟二 將鋁管和銅管固定在V形面擠壓電阻焊接機(jī)的左右電極上，鋁管側(cè)電極為固定電極，銅管側(cè)電極為可沿接頭軸向移動的活動電極，在銅管內(nèi)孔中預(yù)置填充塊；
步驟三將銅管推向鋁管并實(shí)現(xiàn)緊密接觸，對左右電極通電加熱銅鋁接頭，銅管沿接頭軸向向鋁管內(nèi)部滑移。步驟四推進(jìn)銅管達(dá)到焊接所需深度L后，斷電，銅鋁管焊縫凝固，停止推進(jìn)； 所述推進(jìn)深度L依據(jù)銅管外徑d2、鋁管內(nèi)徑d3、V形待焊面錐度β按下述公式確定L
=(d2 — d3)/2tg(0/2)。
步驟五在停電瞬間，用壓力將銅管內(nèi)填充塊壓入銅管內(nèi)收縮處，對焊縫區(qū)域施壓，填充塊被永久固定在焊接區(qū)域，形成接頭。
本發(fā)明的焊接原理如下所述銅管經(jīng)縮口處理的錐面與鋁管內(nèi)徑的邊緣形成線接觸， 加壓、通電后銅管與鋁管的接觸點(diǎn)的電流密度大，溫度高，鋁的氧化物會瞬間熔化，此時(shí)，銅鋁管之間形成環(huán)線狀熔池，焊接過程中，鋁的熔化速度和熔化量遠(yuǎn)大于銅管表面的熔化速度和熔化量，受到鋁管外壁約束力的制約，熔池沿著銅管的錐面在滑移中擴(kuò)大，銅管不斷向鋁管中水平推進(jìn)，接觸環(huán)線熔池逐漸變成錐形熔化環(huán)帶，該環(huán)帶熔池與空氣完全隔絕，熔池內(nèi)的鋁不會發(fā)生氧化，焊縫受到擠壓作用力，銅鋁之間熔化帶內(nèi)的銅鋁共晶組織被擠到熔化區(qū)外，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，銅管的平移距離達(dá)到L時(shí)，斷電冷卻后形成銅鋁焊縫，該焊縫形成一個(gè)夾角為β的V形面焊縫。本發(fā)明對焊接面的錐度β角進(jìn)行了限定，原因在于厚壁管焊接時(shí)需要更大的推進(jìn)力，所以β需要小一點(diǎn)；而薄壁管選擇的β不能過小，否則V形待焊面錐度斷過長影響焊接。本發(fā)明對推進(jìn)深度做了限定，原因在于推進(jìn)深度需要以錐部恰好進(jìn)入鋁管最好，否則會出現(xiàn)銅管不平，或鋁管漲起的外觀缺陷。上述公式確定了最佳的推進(jìn)深度。本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明在不使用任何焊接材料、焊接助劑的前提下，采用擠壓電阻焊的方式將鋁和銅焊接在一起。2、焊接時(shí)，銅質(zhì)工件作水平移動，縮口端向鋁質(zhì)工件內(nèi)部擠壓，鋁質(zhì)工件外部形狀受控，不因受力而發(fā)生膨脹變形。3、在切斷左右電極間電源的瞬間，用壓力將填充塊壓入焊接接頭區(qū)域，焊接區(qū)域會受到進(jìn)一步的擠壓，從而減少銅鋁共晶組織的產(chǎn)生。焊接管接頭的通孔被填充塊分隔開， 從而隔絕了銅鋁電纜線的直接接觸，便于控制銅鋁線纜的插入深度。4、由本發(fā)明構(gòu)筑的V形面焊縫與端口對接焊縫相比明顯增加了熔合區(qū)域的面積， 本發(fā)明生產(chǎn)的銅鋁接頭熔合區(qū)域面積是對接接頭的1. 5^2. 5倍，特別有利于導(dǎo)電，因此，由本發(fā)明加工的這種特殊結(jié)構(gòu)銅鋁接頭特別適合電力電纜的銅鋁過渡應(yīng)用。5、在背散射掃描電鏡下觀察，由本發(fā)明構(gòu)筑的接頭的銅鋁焊縫微觀組織由柱狀晶和厚度< 2μπι銅鋁共晶(a-Al+CuA12)組織構(gòu)成，本發(fā)明的本質(zhì)是盡量減少共晶組織數(shù)量，目標(biāo)是形成單一的柱狀晶組織。6、在高分辨投射電鏡下進(jìn)一步觀察，由本發(fā)明構(gòu)筑的柱狀晶由四種物質(zhì)構(gòu)成即靠近鋁管側(cè)以鋁為基的鋁銅固溶體和新生成的物質(zhì)CuA12 ；靠近銅管側(cè)的以銅為基的銅鋁固溶體和新生成的物質(zhì)Cu9A14。上述工藝還可以用來焊接銅棒與鋁管接頭，所述步驟一是加工銅棒的一端形成具有錐度β的焊接面，銅棒的焊接面端鉆有構(gòu)成中空結(jié)構(gòu)的盲孔；所述步驟二是將填充塊預(yù)置在鋁管的內(nèi)孔中；所述步驟五是將預(yù)置在鋁管的內(nèi)孔中的填充塊用壓力壓入銅棒的盲孔內(nèi)，從而對焊縫區(qū)域施壓。為增加銅鋁接頭拉伸性能，也可以在銅管待焊接表面預(yù)制一些細(xì)坑，焊接過程中焊縫金屬會填滿這些細(xì)坑，其中的焊縫組織起到釘扎固定的作用。
為增加銅鋁接頭的熔合面積，可以在銅的表面預(yù)制縱向齒形，這些齒形會壓入鋁材內(nèi)部增加焊接面積。本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種用上述方法制造的銅鋁焊接接頭。上述問題是這樣解決的一種厚壁銅鋁焊接接頭，由銅管、鋁管、V形焊接面構(gòu)成，其特征在于在銅端內(nèi)部有永久填充塊。


圖1 銅管管端焊接區(qū)加工示意圖； 圖2 銅管與鋁管焊接啟動階段示意圖； 圖3 V形面焊縫示意圖4 銅管與鋁管焊接終止階段示意圖； 圖5 長填充塊銅鋁管接頭示意圖； 圖6 銅棒端焊接區(qū)加工示意圖； 圖7 銅棒鋁管焊接接頭示意其中1.鋁管2.銅管3.填充塊4.長填充塊5.銅棒用填充塊Fl.鋁電極夾持力 F2.銅電極夾持力 F3.銅管主推進(jìn)力F4.填充物推入力F5.填充物對接頭的擠壓力 dl.鋁管外徑、d2.銅管外徑、d3.鋁管內(nèi)徑、L.銅管推進(jìn)深度、β.銅管待焊面角度暨V 形面焊縫角度、Y收縮角。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例一銅管-鋁管接頭的加工工藝步驟
步驟1 銅管下料，首先用機(jī)加工方法將銅管一端初步加工，然后再用精密輥鍛方法將該端焊接面加工至β，銅管內(nèi)徑略為收縮形成Y角，如圖1所示。步驟二 鋁管下料。步驟三將鋁管1和銅管2放置在V形面擠壓電阻焊接機(jī)的左右電極上，用壓力Fl 將電極上的鋁管1固定、用壓力F2將電極上的銅管2固定，鋁管1側(cè)電極為固定電極，銅管 2側(cè)電極為可沿接頭軸向移動的活動電極，在銅管2內(nèi)孔中預(yù)置填充塊3。步驟四如圖2所示，啟動主推力F3，將銅管2推向鋁管1并實(shí)現(xiàn)緊密接觸； 步驟五對左右電極通電加熱銅鋁接頭，銅鋁接觸面迅速熔化，銅管沿接頭軸向向鋁管
內(nèi)部滑移。銅管推進(jìn)深度達(dá)到L后，斷電，銅鋁管焊縫凝固，見圖3。步驟六如圖4所示，主推力F3停。在停電瞬間，用壓力F4將銅管內(nèi)填充塊3壓入銅管內(nèi)收縮處，對焊縫區(qū)域施壓F5，填充塊3被永久固定在焊接區(qū)域。如將銅質(zhì)填充塊加長，將該芯軸壓入整個(gè)銅管及焊接接頭區(qū)域，如圖5所示，則會滿足銅鋁壓接接頭冷作成型要求。具體實(shí)施例二 銅棒-鋁管接頭的加工工藝步驟
銅棒-鋁管接頭的加工工藝步驟銅管-鋁管接頭相似，區(qū)別如下用機(jī)加工方法將銅管一端加工成角度至β，并在該端鉆盲孔，如圖6所示；焊接后從鋁管側(cè)將填充塊5壓入銅棒盲孔中，如圖7所示。以Φ 20mm銅管構(gòu)成銅鋁管接頭為例焊接電流28000 31000安培；焊接時(shí)間8(Tl70mS ；銅端推進(jìn)壓力0. 7 0. 8噸，阻尼后的壓力0. 45、· 5噸；銅、鋁件加持壓力0. 7噸.
焊縫由銅鋁固熔體和新的金屬間化合物構(gòu)成，大部分銅鋁共晶組織被排擠在焊縫以夕卜，使得銅鋁接頭的焊縫無開裂隱患，能滿足相關(guān)安全要求，采用了套接式接頭結(jié)構(gòu)，提高了接頭的導(dǎo)電性。因此，本發(fā)明可以用于對安全性要求較高的電力電纜銅鋁管接頭。
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V形面銅鋁焊接加工工藝，其特征在于步驟一用機(jī)加工方法對銅管一端加工，形成具有錐度(β)的焊接面，此時(shí)銅管位于焊接面區(qū)域的內(nèi)徑略為收縮形成具有收縮角(Y)的內(nèi)收縮處；所述錐度(β )依據(jù)鋁管外徑(dl)、銅管外徑(d2)、鋁管內(nèi)徑(d3)按下述公式確定 β =A - 0. 15*dl + 3*d2 - 2. 7*d3，其中 A 的取值范圍為 14 至 16 ；步驟二 將鋁管和銅管固定在V形面擠壓電阻焊接機(jī)的左右電極上，鋁管側(cè)電極為固定電極，銅管側(cè)電極為可沿接頭軸向移動的活動電極，在銅管內(nèi)孔中預(yù)置填充塊；步驟三將銅管推向鋁管并實(shí)現(xiàn)緊密接觸，對左右電極通電加熱銅鋁接頭，銅管沿接頭軸向向鋁管內(nèi)部滑移；步驟四推進(jìn)銅管達(dá)到焊接所需深度(L)后，斷電，銅鋁管焊縫凝固，停止推進(jìn)；所述推進(jìn)深度L依據(jù)銅管外徑d2、鋁管內(nèi)徑d3、V形待焊面錐度β按下述公式確定L =(d2 — d3)/2tg(^/2)；步驟五在停電瞬間，用壓力將銅管內(nèi)填充塊壓入銅管內(nèi)收縮處，對焊縫區(qū)域施壓，填充塊被永久固定在焊接區(qū)域，形成接頭。
2.如權(quán)利要求1所述的一種V形面銅鋁焊接加工工藝，其特征在于所述步驟一是加工銅棒的一端形成具有錐度β的焊接面，銅棒的焊接面端鉆有構(gòu)成中空結(jié)構(gòu)的盲孔；所述步驟二是將填充塊預(yù)置在鋁管的內(nèi)孔中；所述步驟五是將預(yù)置在鋁管的內(nèi)孔中的填充塊用壓力壓入銅棒的盲孔內(nèi)，從而對焊縫區(qū)域施壓。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種V形面銅鋁焊接加工工藝，其特征在于步驟一完成后， 在銅管待焊表面預(yù)制一些細(xì)坑，然后進(jìn)行步驟二。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種V形面銅鋁焊接加工工藝，其特征在于步驟一完成后， 在銅管待焊表面預(yù)制縱向齒形，然后進(jìn)行步驟二。
5.一種用權(quán)利要求1所述方法制造的厚壁銅鋁焊接接頭，由銅管、鋁管、V形焊接面構(gòu)成，其特征在于在銅端內(nèi)部有永久填充塊。
6.一種用權(quán)利要求2所述方法制造的厚壁銅鋁焊接接頭，由銅棒、鋁管、V形焊接面構(gòu)成，其特征在于在銅端內(nèi)部有永久填充塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種V形面銅鋁焊接加工工藝，步驟包括用機(jī)加工方法對銅管一端加工，形成具有錐度β的焊接面；將鋁管和銅管固定在V形面擠壓電阻焊接機(jī)的左右電極上，鋁管側(cè)電極為固定電極，銅管側(cè)電極為可沿接頭軸向移動的活動電極，在銅管內(nèi)孔中預(yù)置填充塊；將銅管推向鋁管并實(shí)現(xiàn)緊密接觸，對左右電極通電加熱銅鋁接頭，銅管沿接頭軸向向鋁管內(nèi)部滑移；推進(jìn)銅管達(dá)到焊接所需深度L后，斷電，銅鋁管焊縫凝固，停止推進(jìn)；在停電瞬間，用壓力將銅管內(nèi)填充塊壓入銅管內(nèi)收縮處，對焊縫區(qū)域施壓，填充塊被永久固定在焊接區(qū)域，形成接頭。
文檔編號B23K11/20GK102528255SQ20101061703
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者萬延堯, 孫德興, 左鐵軍, 楊訓(xùn), 王巖, 王昕 , 趙越 申請人:左鐵軍, 趙越