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        銅鋁接頭的電阻焊焊接

        2015-11-15 07:22:12申建軍
        家電科技 2015年5期
        關(guān)鍵詞:鋁管銅管管子

        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)施簡單的火焰釬焊。但銅材料的價格比較貴,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間長了容易生銹,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格相差不多。但鋁管的焊接工藝性差,生產(chǎn)現(xiàn)場無法實(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,一端連接銅過渡管,過渡管連接銅毛細(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,它的強(qiáng)度反而增加而無脆性,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,易形成夾渣。(2)鋁在液態(tài)時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程中,來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,沒有明顯的顏色變化,不易判斷焊接溫度,常因溫度過高而導(dǎo)致燒穿等。

        圖1

        圖2

        電阻焊是工件組合后通過電極施加壓力,利用電流通過接頭的接觸面產(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,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,夾持鋁管的夾具不動,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。這時要調(diào)整焊接參數(shù)。鋁管焊接段的外部沒有整圈的暗白色,其中沒改變顏色,保持原來光亮的地方(圖4),就一定會出現(xiàn)泄漏。這時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,首先焊接三個試件,試件焊接的外觀檢查通過后,要將接頭做十字形的分離(現(xiàn)場多用鋼鋸手工鋸開,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)行焊接后的剝離測試,直至通過。

        (3)對每一個焊口,都必須使用鹵素氣體檢漏或水試漏的方法進(jìn)行檢測。水試漏時,要求水質(zhì)清晰,有條件時水溫最好在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)?,時間1分鐘內(nèi),焊口不允許有任何氣泡逸出。如果檢漏時,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(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??s口的圓錐面徑向線性連續(xù)平整,縮口部分對稱,與管子的軸線平行一致。圓錐面長度7mm,總縮口長度11~12mm??s口的圓柱面直徑≤鋁管內(nèi)徑0.2mm,長度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)注意及時更換刀片。對于割口已造成的內(nèi)徑縮小的問題,做一個專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。這時要注意,劃痕盡可能深一些并與管子軸線垂直。

        焊接操作時,注意觀察夾具夾持范圍內(nèi)的管子有無彎曲,有彎曲時,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大(槽徑比管徑大),會造成電弧(打火),容易燒蝕管件或夾具。見圖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,也會對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)熱電流大的時候的情況,可以明顯看到施焊的痕跡是不均勻的過燒。

        調(diào)試夾具時,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。兩個下夾具調(diào)整好后,再以它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn),調(diào)整兩個上夾具。

        (9)一般可供用戶調(diào)整的焊接參數(shù)有2個:預(yù)熱電流和焊接電流,其數(shù)值在電阻焊機(jī)中無量綱單位。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,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)后沒有問題,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)對夾具的維護(hù)和及時更換損壞的夾具。應(yīng)保持夾具的清潔,一般情況下,清理鋁管夾具時,使用半圓細(xì)銼刀;清理銅管夾具時,使用硬毛刷即可。焊渣、碎屑和其他雜質(zhì)會增大接觸電阻,對于局部的導(dǎo)通,由于電流密度過大,會產(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。因此工作時隨時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。

        對于已造成損壞的夾具(典型的如圖13)要及時更換,否則會引起批量的焊接質(zhì)量問題。

        (11)設(shè)備方面。電壓(電流)對產(chǎn)生熱量的影響比電阻和時間兩者都大。一般情況下,由于電網(wǎng)電壓波動,設(shè)備的輸入電壓也在變化。因此,在焊接過程中,注意根據(jù)電壓變化的幅度,進(jìn)行焊接參數(shù)的微調(diào)。對于電壓波動范圍大的地區(qū),必要時安裝穩(wěn)壓電源。另外,保持氣缸運(yùn)動順暢;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)和常見問題的處理等。

        圖12

        圖13

        4 結(jié)論

        通過以上各要注意的問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1.5‰,稍優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的手工火焰釬焊的焊漏率。這雖然距離萬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,在各注意點(diǎn)上還會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 銅及銅合金無縫管材外形尺寸及允許偏差,北京:中國標(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

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