1. Übersicht
Der Grund für das Schweißen von Kupfer und Aluminium liegt in der Kosten- und Gewichtsreduzierung. Da die Dichte von Aluminium etwa 1/3 der von Kupfer beträgt und der Preis etwa 1/5 des Preises von Kupfer beträgt, wird Aluminium in vielen Fällen anstelle von Kupfer verwendet. Insbesondere in der Energiewirtschaft ist auch das Kupfer-Aluminium-Schweißen auf dem Vormarsch.
Die Oberfläche von Kupfer und Aluminium oxidiert jedoch sehr leicht, insbesondere die Oxidschicht von Aluminium ist sehr fest, beständig gegen hohe Temperaturen (Schmelzpunkt bis zu 2050 °C) und weist einen hohen Widerstand auf. Wenn die Maschine angeschlossen ist, ist der Kontakt während des Betriebs instabil und es kommt häufig zu Rauchentwicklung und Explosionen, die leicht schwerwiegende Folgen wie Feuer verursachen können.
Im Allgemeinen kann das Kupfer-Aluminium-Schweißen durch Schmelzschweißen, Pressschweißen und Löten erfolgen.
2, die Schwierigkeiten des Kupfer-Aluminium-Schweißens
1. Das Schweißen von Kupfer und Aluminium gehört zum Schweißen ungleichartiger Metalle (Nichteisenmetalle) und ist wesentlich schwieriger als das Schweißen von Kupfer-Kupfer und Aluminium-Aluminium.
2. Sowohl Kupfer als auch Aluminium oxidieren leicht. Beim Schweißen bilden sich Oxide mit hohem Schmelzpunkt, die das vollständige Verschmelzen des Schweißguts erschweren und somit das Schweißen erschweren.
3. Die Schweißverbindung von Kupfer und Aluminium ist spröde und anfällig für Risse. Beim Schmelzschweißen von Kupfer und Aluminium bildet sich in der Schweißnaht nahe der Kupferseite leicht Eutektikum wie CuAl2, das sich in der Nähe der Korngrenze verteilt und anfällig für intergranulare Risse ist.
4. Der Schmelzpunkt von Kupfer und Aluminium ist sehr unterschiedlich. Beim Schmelzschweißen bleibt Kupfer fest, wenn Aluminium geschmolzen wird. Wenn Kupfer geschmolzen wird, ist Aluminium stark geschmolzen, was das Schweißen erschwert.
5. Die Schweißnaht ist anfällig für Porosität. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Aluminium kristallisiert das Metall im Schmelzbad beim Schweißen schnell, und das metallurgische Reaktionsgas hat bei hoher Temperatur keine Zeit zu entweichen, sodass Poren entstehen.
3. Einführung des Schweißverfahrens für Kupfer und Aluminium
1). WIG-Schweißen
① Vorbereitung vor dem Schweißen: a) Reinigen Sie die Oberfläche der Kupfer- und Aluminiumschweißteile. b) Fasen Sie die gelöteten Teile ab und bestimmen Sie die Nutform nach dem Prinzip, die Schweißfläche der Kupferseite und den Kupfergehalt in der Schweißnaht so weit wie möglich zu vergrößern. Im Allgemeinen wird eine U-förmige Nut verwendet, und die Aluminiumseite muss keine Nut aufweisen. c) Schweißmaterialien sind Ag65Cu20Zn15, Q203, ER4043. d) Ein Satz Schweißgerät WES315 und Sauerstoff-Acetylen-Ausrüstung.
②Schweißvorgang: a. Montieren und fixieren Sie die Kupfer- und Aluminiumschweißteile, um Verformungen und Verschiebungen während des Erhitzens und Schweißens zu verhindern. b Löten Sie zunächst mit einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme eine Schicht hochsilberhaltigen Lots (ca. 1 mm) auf die Kupferseite.
c Verwenden Sie beim Argonlichtbogenschweißen Aluminium-Silizium-Schweißdraht, während dieser heiß ist. Während des Schweißvorgangs weicht die Mitte des Wolframlichtbogens zur Seite der Aluminiumschweißnaht ab (das ist ein Unterschied zum direkten Wolfram-Argon-Lichtbogen von Kupfer und Aluminium!).
Der Leitgedanke des Schweißverfahrens besteht darin, den Kupfergehalt in der Schweißnaht zu minimieren und gleichzeitig zu versuchen, auf der Kupferseite zu löten und auf der Aluminiumseite zu schweißen.
d Der Neigungswinkel zwischen dem Schweißbrenner und dem Werkstück beträgt üblicherweise 75–85º, beim Starten des Lichtbogens 90º und behält dann den normalen Neigungswinkel bei (zur Aluminiumseite hin geneigt).
e Die Länge des Wolframlichtbogens beträgt im Allgemeinen etwa 5 mm. Je dünner die Schweißnaht, desto kürzer ist die Lichtbogenlänge.
f Legen Sie den gefüllten Aluminiumschweißdraht auf den Rand des Schmelzbades, und der Winkel zwischen dem Schweißstück und der Schweißnaht beträgt weniger als 15º. Das Ende des Drahtes sollte nicht mit dem Schmelzbad in Berührung kommen, aber immer innerhalb des Argonschutzbereichs liegen. Heben Sie den Aluminiumschweißdraht nicht zu hoch oder in einem zu großen Neigungswinkel an.
g) Der Aluminium-Schweißzusatzdraht sollte auf der Lichtbogenseite entsprechend vorgewärmt und dann in die Mitte des Lichtbogens geführt werden, um mit der Matrix zu verschmelzen und große Abschnitte des Aluminium-Schweißdrahtes zu vermeiden.
h Wenn die Wolframelektrode an der Schweißnaht festklebt, heben Sie den Schweißbrenner nicht vorschnell an. Lassen Sie zuerst den Steuerschalter los und schütteln Sie den Schweißbrenner dann vorsichtig, um die Wolframelektrode von der Schweißnaht zu lösen. Andernfalls kann die Wolframelektrode leicht brechen.
i Wenn am Ende des Argon-Lichtbogenschweißkopfes Defekte wie Krater, Risse und Einstürze vorhanden sind, sollte die Füllmenge des Schweißdrahtes am Ende des Argon-Lichtbogenschweißkopfes entsprechend erhöht und die Argon-Lichtbogenschweißtechnologie in Friedenszeiten verbessert werden.
③ Nach dem Schweißen gemäß den technischen Anforderungen schleifen.
2). Unterpulverschweißen
① Im Allgemeinen ist die Kupferseite abgeschrägt (normalerweise U-förmig) und die Aluminiumseite ist nicht abgeschrägt.
② Beim Unterpulverschweißen sollte der Lichtbogen auf die Aluminiumseite zeigen und der optimale Versatzabstand beträgt 5–7 mm.
③ Elemente wie Si, Zn, Ag, Sn sollten der Schweißnaht entsprechend hinzugefügt werden.
④Beispiel für Schweißparameter: Die Dicke der Kupfer- und Aluminiumplatte beträgt 10 mm; wenn der gerade Aluminiumschweißdurchmesser ø2,5 beträgt und das Material SAl2 ist, liegt der Schweißstrom bei 400–420 A, die Schweißspannung bei 38–39 V und die Schweißgeschwindigkeit bei 0,58 cm/s.
3). Elektronisches Schnellschweißen
Um direktes Elektronenstrahlschweißen zu vermeiden, wird nach dem Schweißen die θ-Phase der eutektischen CuAl2-Struktur in der Verbindung gebildet und eine große Menge an η-Phasen hinzugefügt, um das Schweißmetall hart und spröde zu machen. Ag wird üblicherweise als Zwischenlegierungsschicht verwendet. Es bildet sich eine gegenseitig lösliche feste Lösung, sodass durch Schweißen mit einer Dicke von etwa 1 mm Ag als Zwischenschicht eine gute Verbindung erzielt wird.
4). Abbrennstumpfschweißen von Kupfer und Aluminium
①Vorbereitung vor dem Schweißen: a. Die Verarbeitung von Kupfer-Aluminium-Schweißteilen sollte präzise und in gerader Form erfolgen. b. Oberflächenschmutz und Oxide entfernen. c. Glühbehandlung von Kupfer- und Aluminiumschweißteilen (Kupferteile bei 600–650 Grad, Wärmekonservierung für 40–60 Minuten, Abkühlung in Wasser. Aluminiumteile bei 400–450 Grad, Wärmekonservierung für 40–60 Minuten, Luftkühlung), um die Härte zu verringern, die Plastizität zu erhöhen und die Qualität der Schweißverbindungen zu verbessern.
②Beim Abbrennstumpfschweißen können spröde intermetallische Verbindungen aus der Verbindung herausgepresst werden, was zu einer starken plastischen Verformung der Kontaktfläche führt und eine bessere Verbindung ergibt. Es handelt sich dabei um eine der wichtigsten Methoden beim Kupfer-Aluminium-Schweißen.
③Beispiel für die Parameterauswahl einer Abbrennstumpfschweißmaschine (mit Typ LQ{{0}}): Stumpfschweißfläche von Kupfer- und Aluminiumschweißteilen 6×60mm²; Verlängerungslänge Cu29mm, Al17mm; Vorrichtungsdruck 0,44MPa; Stauchdruck 0,29MPa; Brennzeit 4,1s; Live-Stauchzeit 1/50s; Nockenwinkel 270º.
5). Reibschweißen
①Reibschweißen bei niedriger Temperatur (derzeit gängiges Reibschweißverfahren):
a) Die Temperatur der Reibungsfläche muss unter der eutektischen Punkttemperatur von 548 Grad Kupfer und Aluminium gehalten werden, d. h. das Kupfer-Aluminium-Reibschweißen muss im Temperaturbereich von 460 bis 480 Grad abgeschlossen sein. Dieser Temperaturbereich ist der beste Bereich, und es kann ein zufriedenstellendes Kupfer-Aluminium-Schweißen erzielt werden. Stecker. Es gehört zum halberhitzten Pressschweißen, und der erforderliche Stauchdruck pro Flächeneinheit ist geringer als beim Kaltpressschweißen, aber größer als beim Abbrennstumpfschweißen.
b Beispiel für die Auswahl der technischen Parameter für das Niedertemperatur-Reibschweißen: Durchmesser der Kupfer- und Aluminiumschweißverbindung ø10; Geschwindigkeit 450 U/min; Reibzeit 6 s; Stauchdruck 392 MPa; Haltezeit 2 s; 12,6 cm/min; Vorschweißvordruck 490–588 N; Reibdruck 166–196 MPa.
②Hochtemperatur-Reibschweißen: a Beim Hochtemperatur-Reibschweißen kann die Rotationsgeschwindigkeit 0,58 m/s erreichen und die Temperatur der Kontaktfläche kann den Schmelzpunkt von Aluminium (660 Grad) erreichen, was die Temperatur des Kupfer-Aluminium-Eutektikums (548 Grad) deutlich übersteigt. Bei dieser Temperatur gehen die Kupfer- und Aluminiumatome eine Diffusionsreaktion miteinander ein, wodurch eine gute Schweißverbindung entstehen kann.
b Vorbereitung vor dem Schweißen: Bearbeiten Sie die Kupferstirnfläche in einem 90º-Kegelwinkel; brennen Sie Kupfer- und Aluminiumschweißteile; reinigen Sie nach dem Glühen.
c. Beispiel für die Auswahl der technischen Parameter für das Hochtemperatur-Reibschweißen: Durchmesser der Kupfer-Aluminium-Schweißverbindung ø10mm; Rotationsgeschwindigkeit U/min; Lineargeschwindigkeit des Außenrings 0,71m/s; Stützreibungsdruck 147MPa; Kupferwellenwinkel 60º.
6). Kaltpressschweißen
Das Wesentliche beim Kaltpressschweißen ist, das zu schweißende Werkstück bei Raumtemperatur plastisch zu verformen und den Oxidfilm auf der Kontaktfläche des Werkstücks aus der Schweißnaht herauszupressen, sodass die Metallatome zwischen den Schnittstellen die Distanz der interatomaren Anziehung erreichen, begleitet von interatomarer Diffusion. Dadurch entsteht eine starke Verbindung zwischen den Atomen. Hauptsächlich geeignet zum Schweißen von Kupfer und Aluminium mit kleinen und mittleren Abschnitten.
①Stumpfschweißen von Kupfer und Aluminium:
a Das Stumpfschweißen mit Kaltpressung wird bei Raumtemperatur ohne externe Wärmequelle durchgeführt, die Metallstruktur erfährt keine Rekristallisation und kein Erweichungsglühen, die Festigkeit der Verbindung ist nicht geringer als die des Grundmetalls und der Querschnittsbereich der Stumpfverbindung liegt im Bereich von 1 bis 1000 mm². Transformatoren, Freileitungen usw.
b. Beispiel für die Auswahl technischer Parameter für das Kaltpressschweißen von Kupfer-Aluminium-Stumpfverbindungen: Glühen vor dem Schweißen; gerader Durchmesser der Kupfer-Aluminium-Schweißverbindung ø10 mm; hervorstehende Länge jeder Schweißverbindung: Kupfer 10 mm, Aluminium 10 mm; 3-maliges Stauchschmieden; Stauchdruck 333 MPa.
②Das Überlappschweißen von Kupfer und Aluminium:
a) Kaltpressschweißen in Form von Platte-Platte, Draht-Draht, Draht-Platte, Folie-Draht, Folie-Platte usw. aus Kupfer- und Aluminium-Kunststoffmaterialien, die beste Verbindungsform ist die Überlappverbindung. Kaltpunktschweißen kann auf ähnliche Weise wie Widerstandspunktschweißen durchgeführt werden.
Die Form des Lötstelleneindringlings ist kreisförmig: d=(1~2)δ; rechteckig: a=(1~2)δ, b=5~6a.
Beim Mehrpunktschweißen sollte die Verteilung versetzt erfolgen und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Schweißpunkte sollte größer als 2d sein.
b. Beispiel für die Auswahl technischer Parameter für das Kaltpressschweißen einer Turmverbindung aus Kupfer und Aluminium: Schweißnahtgröße 40 × 4 mm²; Überlappungslänge 70 mm; Anzahl der Lötstellen 6; Druckpunktdurchmesser Al ø7, Cu ø8; Gesamtlänge des Eindringkörpers Al 30 mm, Cu 55 mm; Der Punktmittenabstand beträgt 10 mm; der Druck beträgt 235 MPa.
7). Kondensator-Energiespeicherschweißen
①Kapazitives Energiespeicherschweißen ist eine spezielle Form des Widerstandsschweißens und gehört zum Festphasenschweißen. Das Wesen des Energiespeicherschweißens besteht darin, Energie im Voraus in einer bestimmten Form zu speichern und sie dann in sehr kurzer Zeit durch die Schweißnaht freizusetzen, wodurch sofort eine große Menge an Wärmeenergie an der Verbindung erzeugt wird und gleichzeitig durch schnelle Extrusion eine Schweißverbindung gebildet wird. Die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Aluminium sind sehr gut, und beim Schweißen müssen strenge Spezifikationen für hohen Strom und kurze Zeit eingehalten werden. Das kapazitive Energiespeicherschweißen eignet sich besonders zum Schweißen von Kupfer- und Aluminiumdrähten mit kleinem Querschnitt. Es ist derzeit eine ideale Methode zum Schweißen von Kupfer- und Aluminiumdrähten, aber seine Prozessparameter können in einem engen Bereich eingestellt werden, sodass die Schweißprozessparameter vor dem Schweißen strikt eingehalten werden müssen. Produzieren Sie hochwertige Kupfer-Aluminium-Schweißverbindungen.
②Beispielauswahl von Parametern für den Schweißprozess zur Kondensator-Energiespeicherung für dünne Kupfer- und Aluminiumdrähte: Drahtdurchmesser Alø1,81, Cuø1,56; Kapazität 8000 uF; Schweißspannung 190–210 V; Verlängerungslänge Al2,5 mm, Cu2,0 mm; Stauchdruck 608 MPa; Klemmkraft 2650 N; Transformatorverhältnis 60:1.
8). Vakuumdiffusionsschweißen
① Das Vakuumdiffusionsschweißen wird hauptsächlich zur Herstellung von Kupfer-Aluminium-Verbindungen von Kühlgeräten und Kraftgeräten verwendet. Die Prozessparameter werden sehr streng kontrolliert und die Qualität ist stabiler als beim Schmelzschweißen, Löten und Abbrennstumpfschweißen.
②Vor dem Schweißen muss die Oberfläche der Kupfer-Aluminium-Schweißverbindung sorgfältig bearbeitet, geschliffen, poliert und gereinigt werden, damit die Oberfläche glatt und frei von Verunreinigungen ist. Die Kupfer- und Aluminiumplatten werden gestapelt und in die Vakuumkammer gelegt. Die Faktoren, die das Vakuumdiffusionsschweißen von Kupfer und Aluminium beeinflussen, sind: Heiztemperatur, Schweißdruck, Haltezeit, Vakuumgrad, Oberflächenqualität der Schweißteile usw.
③Beispiel für die Auswahl der technischen Parameter beim Vakuumdiffusionsschweißen von Kupfer und Aluminium: Beim Vakuumdiffusionsschweißen von Kupfer und einer harten Aluminiumlegierung ZAl2 mit einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm beträgt die Heiztemperatur 480 bis 500 °C, die Haltezeit 10 Minuten, der Druck 4,9 bis 9,8 MPa und die Vakuumstärke 1,33 × 10–² bis 1 × 10–³Pa.
9). Löten
①Mittel- und Niedertemperaturlöten
A Kratzschweißen: Wählen Sie HL501 (Zn58Sn40Cu2), die allgemeine Handelsspezifikation ist Gussstangen von 5 × 20 × 350 mm³, das Schweißverfahren ist sehr einfach, die Kupfer-Aluminium-Schweißverbindung wird auf etwa 300 Grad erhitzt, ohne Flussmittel. Versuchen Sie, die Schweißverbindung abzukratzen. Wenn das Lot nicht schmilzt, erhitzen Sie weiter, bis das Lot die Naht nach dem Abkratzen ausfüllt.
BM51+M51-F: Die Löttemperatur dieser Art von Lot und Flussmittel ist mit 179 Grad sehr niedrig. Das Lot kann beim Schweißen nicht direkt erhitzt werden. Die Kupfer-Aluminium-Schweißverbindung sollte erhitzt werden, und die Hitze der Schweißverbindung wird zum Schmelzen des Lots verwendet. Heizwerkzeuge sind verfügbar: Elektrischer Lötkolben, Heißluftpistole, Flüssiggas-Spritzpistole, Kerosinbrenner, Benzinbrenner, Sauerstoff-Acetylen-Brenner usw.
C-Tauchlöten: Lötfüllmetall (Zn96–98 % Pb2–4 %), Flussmittel ist Kolophonium (C20H30O2) und wasserfreie Streuessenz (Verhältnis größer als 1), Schweißmethode: Kupfer-Aluminium-Verbindung mit Kolophoniumalkohollösung beschichtet. Zum Löten schnell bei etwa 440 Grad in Lötmaterial eintauchen.
D WE CuAl-Q303: Dieses Schweißmaterial ist ein flussmittelgefüllter Kupfer-Aluminium-Schweißdraht. Die Löttemperatur beträgt etwa 400 Grad. Es hat sein eigenes Lötpulver und ein organisches, nicht korrosives Flussmittel. Das Lötpulver schmilzt mit der Metallummantelung und bricht das Kupfer- und Aluminiummetall schnell auf. Der Oberflächenoxidfilm und die Oberflächenspannung des Metalls können eine erneute Oxidation verhindern. Die Metalloberfläche wird durch das Lötpulver benetzt, sodass das Lot durch Kapillarwirkung die gesamte Schweißnaht füllen kann. Der Vorgang ist einfach und es ist im Allgemeinen keine Reinigung nach dem Schweißen erforderlich.
E Einführung anderer Schweißmaterialien: WE53+WE53-F ist ein Schweißdraht mit festem Kern und Flussmittel, und die Löttemperatur beträgt etwa 400 Grad; XR-FC22, XR-FC0215, ER15, E9802, FR301 usw. sind flussmittelgefüllte Schweißdrähte, die bequemer zu verwenden sind.
②, Hochtemperatur-Vakuumlöten
ein Lot: AlSi12
b Vorbereitung vor dem Schweißen: Pressen Sie das filamentartige Lötfüllmetall in ein 0,5–1 mm dickes, rückenförmiges Blatt; reinigen Sie die Kupfer- und Aluminiumschweißteile und Lötfüllmetalle.
C Zusammenbau: Verwenden Sie zum Zusammenbauen und Festklemmen Edelstahlplatten in der Reihenfolge Aluminium-Lötzinn-Kupfer und legen Sie sie in Schichten aus.
D Ofenlöten: Beginnen Sie mit dem Vakuumieren, nachdem Sie den Ofen betreten haben. Wenn das Vakuum 10-²Pa erreicht, starten Sie das Heizgerät. Die Heizrate beträgt 10 bis 20 Grad pro Minute. Halten Sie den Ofen 5 Minuten lang bei 150 Grad, dann jeweils 5 Minuten lang bei 350 Grad und 540 Grad. Heizen Sie dann kontinuierlich auf 624 Grad hoch, halten Sie die Temperatur 6 Minuten lang und kühlen Sie dann ab. Kühlen Sie auf unter 600 Grad ab, schalten Sie das Heizgerät aus, kühlen Sie den Ofen auf unter 450 Grad ab, füllen Sie ihn mit Stickstoff, um die Abkühlrate zu beschleunigen, und öffnen Sie die Ofentür, nachdem Sie auf unter 100 Grad abgekühlt sind.
10). Andere Schweißverfahren
Zusätzlich zu den oben genannten Schweißverfahren für Kupfer und Aluminium können auch Explosionsschweißen, Ultraschallschweißen usw. verwendet werden.
