銅鋁接頭的電阻焊焊接

申建軍

（寧波辰佳電器有限公司 浙江寧波 315336）

1 引言

制冷系統(tǒng)中管路管口之間的連接和焊接是主要的工藝環(huán)節(jié)。最早制冷系統(tǒng)中的管子使用銅材料，純銅（常用TP2）導(dǎo)熱性好、耐腐蝕，加工工藝性好，便于實(shí)施簡(jiǎn)單的火焰釬焊。但銅材料的價(jià)格比較貴，而且在不斷上升。于是人們使用更經(jīng)濟(jì)一些的鋼材料，低碳鋼有較好的加工工藝性，也能夠很好的實(shí)施火焰釬焊，但最常用的薄壁焊接鋼管使用時(shí)間長(zhǎng)了容易生銹，如果發(fā)生在箱體內(nèi)部，造成內(nèi)漏后，減少產(chǎn)品的使用壽命，使得箱體報(bào)廢。人們的目光又轉(zhuǎn)移到鋁材料，純鋁（常用L1060）比鋼的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性好，便于加工成形，相同體積的鋁管與鋼管的價(jià)格相差不多。但鋁管的焊接工藝性差，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)施火焰釬焊。

目前冰箱冷柜中鋁管主要用于蒸發(fā)器，管子兩端要連接銅管，一端連接銅過(guò)渡管，過(guò)渡管連接銅毛細(xì)管；另一端連接銅回氣管，回氣管另一頭接入壓機(jī)。鋁蒸發(fā)器兩端的銅鋁接頭的焊接成為一個(gè)產(chǎn)品制造的關(guān)鍵點(diǎn)。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度，在對(duì)銅鋁接頭的電阻焊焊接工藝深入實(shí)踐和研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電阻焊焊接工藝中要注意的問(wèn)題及解決辦法。

2 銅鋁接頭電阻焊特點(diǎn)

鋁的重量輕、耐腐蝕，特別在溫度低時(shí)，它的強(qiáng)度反而增加而無(wú)脆性，是理想的用于低溫裝置的材料。但在可焊性方面，有一系列不利因素：（1）鋁表面易被氧化成厚度0.1～0.2μm的致密的、比重約為鋁的1.4倍的AL2O3薄膜，其熔點(diǎn)是純鋁熔點(diǎn)的3倍以上，焊接時(shí)，易形成夾渣。（2）鋁在液態(tài)時(shí)能大量吸收和溶解氫，熔融狀態(tài)下和高溫凝固狀態(tài)下的溶解度相差近20倍。焊接后的快速冷卻過(guò)程中，來(lái)不及析出的氫氣易形成氣孔。（3）鋁的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率比鋼大約一倍，焊接后有較大的變形和應(yīng)力，加上某些雜質(zhì)等的不利影響，易產(chǎn)生裂紋。（4）鋁由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的顏色變化，不易判斷焊接溫度，常因溫度過(guò)高而導(dǎo)致燒穿等。

圖1

圖2

電阻焊是工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面產(chǎn)生的電阻熱，將接觸面加工到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種焊接的方法。由于瞬間以很高的局部熱量形成金屬熔接的接頭，避免了一些鋁材料焊接時(shí)的不利影響。使用電阻焊的方法能夠較好的實(shí)現(xiàn)銅管和鋁管的焊接，其質(zhì)量可靠，比過(guò)去使用的洛克令環(huán)連接的成本低，效率更高，便于成為流水線上的工序。因此，電阻焊成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)銅鋁接頭的主要工藝方法。

在銅鋁接頭的電阻焊中，銅管和鋁管的外徑是一樣的或銅管的外徑略小于鋁管（≤0.5mm）。一般的，保持鋁管形狀不變，將銅管的管端縮口成一段圓柱面和一段圓錐面，縮口的圓柱面起定向作用，其外徑小于鋁管內(nèi)徑以便插入鋁管中。實(shí)施焊接時(shí)，先將待焊的銅管和鋁管的管端插在一起（圖1）。然后，在相距6mm左右的兩組焊接夾具（焊接夾具起到對(duì)焊接管子定位、夾持和導(dǎo)電的作用）的槽中放正，鋁管的端口在鋁管夾具的內(nèi)端面露出0.5mm。焊接時(shí)，夾持鋁管的夾具不動(dòng)，夾持銅管的夾具向夾持鋁管的夾具靠近（靠近的距離即焊接的長(zhǎng)度），施加橫向壓力加熱，銅管的圓錐面和鋁管的接觸面熔融成為一體（圖2），形成電阻焊焊接的銅鋁接頭。

圖3

圖4

圖5

3 要注意的問(wèn)題和解決辦法

為了達(dá)到良好的焊接效果，有以下要注意的問(wèn)題和解決辦法：

（1）銅鋁接頭電阻焊外觀上（內(nèi)部的焊接結(jié)果在外部的表觀）要求的標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。即鋁管的端部有整圈均勻熔化后的細(xì)小焊珠。焊接段表面有整圈的暗紋環(huán)，暗紋環(huán)的表面規(guī)矩，不允許凸凹不平（夾具邊緣造成的縱向模痕除外）。鋁管和銅管在焊接夾具中被夾持的表面不允許有任何的外傷。

電阻焊后，鋁管的端部未出現(xiàn)整圈均勻熔化后的細(xì)小焊珠，判斷為內(nèi)部接觸面上未形成熔融，此接頭用力彎折后可以分開(kāi)。這時(shí)要調(diào)整焊接參數(shù)。鋁管焊接段的外部沒(méi)有整圈的暗白色，其中沒(méi)改變顏色，保持原來(lái)光亮的地方（圖4），就一定會(huì)出現(xiàn)泄漏。這時(shí)要檢查夾具的夾持面上是否有凹坑。鋁管和銅管被夾持的表面有外傷，說(shuō)明兩組夾具的軸線不一致，需要調(diào)整夾具位置。

接頭的內(nèi)部要求達(dá)到圖5所示標(biāo)準(zhǔn)。鋁管和銅管有4～5毫米明顯的熔融區(qū)段。銅管內(nèi)部表面不允許有過(guò)燒現(xiàn)象，端部不允許有任何焊瘤。

圖6

圖7

圖8

（2）每班正式工作前，首先焊接三個(gè)試件，試件焊接的外觀檢查通過(guò)后，要將接頭做十字形的分離（現(xiàn)場(chǎng)多用鋼鋸手工鋸開(kāi)，圖6）。使用老虎鉗夾持其中鋁管的一瓣，與銅管進(jìn)行剝離測(cè)試。均勻的四瓣中，不允許任何一瓣被剝離掉。如果被剝離掉，需要全面測(cè)量試件的幾何形狀及尺寸，進(jìn)行焊接參數(shù)調(diào)整。然后再次進(jìn)行焊接后的剝離測(cè)試，直至通過(guò)。

（3）對(duì)每一個(gè)焊口，都必須使用鹵素氣體檢漏或水試漏的方法進(jìn)行檢測(cè)。水試漏時(shí)，要求水質(zhì)清晰，有條件時(shí)水溫最好在50℃左右，焊口置放水面下10mm左右，管子內(nèi)部充≥2.0MPa壓力的氮?dú)?，時(shí)間1分鐘內(nèi)，焊口不允許有任何氣泡逸出。如果檢漏時(shí)，發(fā)現(xiàn)超出正常焊漏率，要立即反饋到焊接工位。

（4）銅管的幾何形狀控制。銅管在加工前的直徑和圓度應(yīng)符合GB/T 16866 銅及銅合金無(wú)縫管材外形尺寸及允許偏差[1]；根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，Φ6和Φ7銅管在加工后的圓度≤0.12毫米，一般可以達(dá)到良好的焊接結(jié)果。如果超出，要檢查及改進(jìn)加工銅管時(shí)（如矯直下料機(jī)上）的夾具。銅管的壁厚在工藝條件好的情況下，可以薄一些，一般情況下使用0.6mm左右壁厚的。

（5）銅管的縮口要求。縮口的圓錐面徑向線性連續(xù)平整，縮口部分對(duì)稱(chēng)，與管子的軸線平行一致。圓錐面長(zhǎng)度7mm，總縮口長(zhǎng)度11～12mm?？s口的圓柱面直徑≤鋁管內(nèi)徑0.2mm，長(zhǎng)度4～5mm，與管子的軸線平行一致。要達(dá)到上述要求，必須保證縮口機(jī)的縮口模具正常及正確操作。[2]

（6）鋁管的幾何形狀控制。被焊接的鋁管（實(shí)用中常為蒸發(fā)器管）管口，一般使用割管器割斷后形成，要求被割管端與軸線垂直、平整。在具體操作中，割管器刀口磨鈍后，往往出現(xiàn)縮口狀的毛刺（如圖7右邊管口，左邊是正確形狀），應(yīng)注意及時(shí)更換刀片。對(duì)于割口已造成的內(nèi)徑縮小的問(wèn)題，做一個(gè)專(zhuān)用的頭部為錐形的工具，管口傾斜朝下后進(jìn)行手工擠擴(kuò)孔，將工具頭部深入管口后，反復(fù)擰幾下拔出，將其內(nèi)徑擠大。

在生產(chǎn)中，也有使用美工刀刀片用力劃割約半圈，然后在刀痕處反復(fù)折2～3次，將割口折斷。這時(shí)要注意，劃痕盡可能深一些并與管子軸線垂直。

焊接操作時(shí)，注意觀察夾具夾持范圍內(nèi)的管子有無(wú)彎曲，有彎曲時(shí)，首先應(yīng)于矯直。不允許彎曲的管子進(jìn)入夾具。

（7）待焊的管口內(nèi)外部必須潔凈，不允許有油污、水分、塵屑等雜物。

（8）夾具調(diào)整及夾具調(diào)整輔助工具。電阻焊的焊接夾具的正常與否對(duì)于接頭焊接質(zhì)量有主要的關(guān)系。夾具的槽徑與管子外徑要求一致。如果夾具夾持間隙過(guò)大（槽徑比管徑大），會(huì)造成電?。ù蚧穑菀谉g管件或夾具。見(jiàn)圖8。槽徑小，則直接損傷管子。

圖9

圖10

圖11

鋁管夾具的軸線與銅管夾具的軸線同心。如夾具（電極）軸心不一致或端頭變形和磨損，均會(huì)導(dǎo)致焊接的接觸面積產(chǎn)生變化，由于夾具的接觸面積決定著電流密度，會(huì)引起焊點(diǎn)強(qiáng)度的變化。兩夾具中心不一致，焊口接觸不均勻，除了影響焊口質(zhì)量外，也會(huì)對(duì)管子的外表面造成損傷（圖9），這也是判別兩夾具中心是否一致的目測(cè)方法。

如果夾具槽徑與管子外徑不吻合，它們之間的間隙不均勻，直接影響焊接質(zhì)量。圖10是預(yù)熱電流小的時(shí)候的情況，可以明顯看到施焊的痕跡不連續(xù)。圖11是預(yù)熱電流大的時(shí)候的情況，可以明顯看到施焊的痕跡是不均勻的過(guò)燒。

調(diào)試夾具時(shí)，可以制作一根兩端分別與銅鋁夾具槽徑一致的鋼棒作為輔助工具。將鋼棒放入兩個(gè)下夾具的槽中（圖12）。從槽口與鋼棒的吻合度上看，確定銅鋁夾具的調(diào)整方向。兩個(gè)下夾具調(diào)整好后，再以它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，調(diào)整兩個(gè)上夾具。

（9）一般可供用戶(hù)調(diào)整的焊接參數(shù)有2個(gè)：預(yù)熱電流和焊接電流，其數(shù)值在電阻焊機(jī)中無(wú)量綱單位。調(diào)整參數(shù)是為了達(dá)到管子接觸面良好的熔融效果。以一組經(jīng)驗(yàn)參考值為基礎(chǔ)，首先進(jìn)行試焊，不斷觀察鋁管端達(dá)到整圈的暗紋和出現(xiàn)細(xì)小焊珠的情況變化。進(jìn)行調(diào)整時(shí)，先調(diào)整預(yù)熱電流，看鋁管焊接段，判斷內(nèi)部的熔融情況；然后調(diào)整焊接電流，直到出現(xiàn)整圈均勻的細(xì)小的焊珠，符合外觀標(biāo)準(zhǔn)為止。接著要做十字剖切剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)后沒(méi)有問(wèn)題，這組焊接參數(shù)基本固定。不更換夾具，這組參數(shù)也不需大的改變。需要注意的是，只要更換夾具，焊接參數(shù)一定要重新調(diào)整。

調(diào)整參數(shù)的關(guān)鍵是預(yù)熱電流和焊接電流在特定夾具及相對(duì)位置的條件下，達(dá)到合適的匹配。而不是單純的加大其數(shù)值。

（10）對(duì)夾具的維護(hù)和及時(shí)更換損壞的夾具。應(yīng)保持夾具的清潔，一般情況下，清理鋁管夾具時(shí)，使用半圓細(xì)銼刀；清理銅管夾具時(shí)，使用硬毛刷即可。焊渣、碎屑和其他雜質(zhì)會(huì)增大接觸電阻，對(duì)于局部的導(dǎo)通，由于電流密度過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生電火花飛濺和表面燒損，夾具燒損后，直接影響焊口加熱的不均勻性，引起焊漏的發(fā)生。因此工作時(shí)隨時(shí)注意清理夾具表面的焊渣、碎屑、雜質(zhì)等，保持夾具的良好狀態(tài)，是保證獲得優(yōu)質(zhì)接頭的必要條件。

對(duì)于已造成損壞的夾具（典型的如圖13）要及時(shí)更換，否則會(huì)引起批量的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

（11）設(shè)備方面。電壓（電流）對(duì)產(chǎn)生熱量的影響比電阻和時(shí)間兩者都大。一般情況下，由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)，設(shè)備的輸入電壓也在變化。因此，在焊接過(guò)程中，注意根據(jù)電壓變化的幅度，進(jìn)行焊接參數(shù)的微調(diào)。對(duì)于電壓波動(dòng)范圍大的地區(qū)，必要時(shí)安裝穩(wěn)壓電源。另外，保持氣缸運(yùn)動(dòng)順暢；從壓力表，觀察氣源壓力是否合格、穩(wěn)定。夾具冷卻循環(huán)水路暢通。兩組夾具處的光線充足。

（12）操作者的培訓(xùn)。主要是要熟悉焊接和焊件標(biāo)準(zhǔn)，熟練設(shè)備的操作使用，操作中的夾具維護(hù)——及時(shí)清理遺留或粘附在夾具槽中的焊渣、雜質(zhì)等物，遵守安全操作事項(xiàng)和常見(jiàn)問(wèn)題的處理等。

圖12

圖13

4 結(jié)論

通過(guò)以上各要注意的問(wèn)題和解決辦法的控制和實(shí)施的基本實(shí)踐，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以穩(wěn)定達(dá)到銅鋁接頭電阻焊平均為1.2‰的焊漏率，最高不超過(guò)1.5‰，稍?xún)?yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的手工火焰釬焊的焊漏率。這雖然距離萬(wàn)分之二的理想焊漏率指標(biāo)低了一些，原因是實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在各注意點(diǎn)上還會(huì)或多或少存在有一定的差距。但我們認(rèn)為1.2‰的焊漏率，對(duì)于普通家電企業(yè)的制冷產(chǎn)品制造還是完全可以接受的。

[1] GB/T 16866-2006 銅及銅合金無(wú)縫管材外形尺寸及允許偏差，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.8

[2] 申建軍，銅鋁接頭電阻焊中銅管縮口的工藝改進(jìn)，北京：家電科技，2014.5.76-77