0 引言

在目前铜矿资源不足、且铜价上涨的市场现状驱动下，以铝代铜、只在接头处焊接铜管成为目前铜铝连接管的主流生产趋势。国内外的研究人员一直致力于从各方面尝试实现铜铝等异种金属材料管路的优良焊接。

已知针对铜铝异种金属焊接的方法有电磁脉冲焊接、摩擦焊、复合塑性流动连接方式等，以及近年来涌现的一些其他的焊接方法如搅拌摩擦焊、高能束焊等，但在实际生产应用中或多或少都存在诸如焊接设备要求高、实施困难、效率低下和质量难以控制等多方面问题。

1 铜铝快速高压渗溶焊接技术原理

基于对现有铜铝连接管生产技术的总结和改进，公司研发团队进行改良并将铜铝快速高压渗溶焊接技术应用于生产中，公司对此技术持有多项相关专利。本文对这项技术进行详细描述。铜管旋锻缩口[1]和铝管斜插预套后，通电对铜铝焊接区进行加热，使外层金属原子达到活跃状态，待铝材表面软化后使用球形冲杆对焊接区施加横向推进压力[2]，铜、铝接触面产生相对运动，摩擦并粉碎铜、铝管材焊接表面存在的氧化物以及其他杂质，并且将其在推进过程中挤出[3]，以此实现铜铝管材接触面的环状连续推进焊接。焊接区原子扩散完成后迅速撤去高压并停止对结合面通电，在空气中进行静置冷却。从而得到接口处焊接牢固的铜铝连接管[4]。

1.1 管材连接方式

图1铜管、铝管连接示意图

铜铝管材焊接处采用斜插的方式进行连接，如图1所示。铜管端部预设有旋锻缩口，在铜管铝管预套时，将铜管旋锻缩口端头插入铝管，同时在另一端套入冲击杆（图2），并放置在夹具设有的限位槽中定位。便于铜表面层和铝表面层紧密接触，缩短原子间距；同时在挤压的过程中便于金属表面残留氧化物和杂质等的挤出。有研究表明，斜面连接更容易在通电瞬间形成小范围的高温受热区域；在焊接过程中，局部的高温区随着金属沿着斜面滑移，形成焊缝，解决高温引起的工件失稳问题[5]。

1.2 冲杆工作方式及工装

铜管铝管预套后放入限位槽中，与冲杆中心线重合，气泵推动冲杆向左推进[2]。冲杆端部最大的球节对焊接区施加挤压，挤出铜表层、铝表层界面上的氧化物等杂质的同时，缩短铜、铝表层原子间距，便于形成牢固焊接区。

目前包含这种结构工装的生产设备已投入工厂的日常生产实践中。

1.2 能耗

由于冲杆在连续推进过程中，与管材直接接触区域呈圆环状，接触区域面积小，是以在工作过程中，电流通过金属区域的面积小，发热少，因而生产过程中能耗低，是以起到一定程度节省能源的目的。

2 试验

2.1 金相及晶粒度分析

图3焊接前后晶粒度未发生明显变化（a1）铜侧未焊接处；（a2）铜侧焊接处；（b1）铝侧未焊接处；（b2）铝侧焊接处

对铜铝连接管件成品的部分区域取样做晶粒度分析试验所得结果如图3所示：a1为铜侧未焊接部位晶粒度，a2为铜侧焊接区晶粒度，由图可知应用铜铝快速高压渗溶焊接技术得到的铜铝连接管件其铜侧在焊接前后晶粒度并不发生明显变化；b1为铝侧未焊接部位晶粒度，b2为铝侧焊接区晶粒度，由图可知铝侧在焊接前后晶粒度同样未发生明显变化。由此可见，应用铜铝快速高压渗溶焊接技术焊接铜铝连接管不会产生铜铝管的晶粒度变化问题，不会破坏金属焊接部位原有的晶粒结构。

图2冲杆推进示意图

图4铜铝焊接界面的电镜照片

2.2 电镜图分析

图4分别是10μm和1μm尺度下的扫描电镜图。图a中左侧浅色区域为铝，右侧深色区域是铜。从图中可见10μm尺度下焊接区铜铝之间界线清晰干净，显示在铜铝焊接处并无共晶组织生成[6]，也无残留杂质。图b中在1μm尺度下可见铜铝焊接区分界线依旧清晰，未观察到其他组织结构。由此可证明本文提出的铜铝快速高压渗溶焊接不会因产生大尺寸共晶组织而使铜铝接头变脆[7]。

2.3 剥离

设置冲杆挤压时间为变量，从400 ms到1 200 ms等时间间隔做对比试验，冲杆挤压时间分别取400 ms、680 ms、800 ms、1 000 ms、1 200 ms情况下进行铜铝快速高压渗溶焊接试验。分别对铜铝连接管接头部分进行剥离和反剥离，试验结果如图。在试验中测得800 ms焊缝长度达5 mm。

图5铜铝连接管接头剥离