Шинопроводы алюминий–медь. Новые возможности

Неразъемные соединения алюминий-медь в них могут выполняться контактной сваркой либо холодной сваркой под давлением [1]. Технические требования к последним устанавливаются по ГОСТ 19357 «Пластины переходные медно-алюминиевые». Указанный ГОСТ регламентирует материал пластин — алюминий АД0 и медь ШММ либо М1, типоразмеры, внешний вид и механические свойства сварного соединения. Требования к электрическому сопротивлению сварного шва при этом не устанавливаются.

В настоящее время все большее распространение при изготовлении сборочных узлов различных изделий получает технология сварки трением с перемешиванием [2]. Значительный экономический эффект она обеспечивает при изготовлении крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов [3]. Представляет интерес внедрение данного способа сварки в производстве изделий электротехники, для которой дуговая электрическая сварка является нетипичным технологи­ческим процессом и влияет на себестоимость конечного продукта [4, 5]. Одним из существенных преимуществ данного способа сварки является возможность получения биметаллического соединения из материалов, не реализуемых обычной дуговой сваркой [6, 7]. Применительно к электротехнике это означает возможность изготовления сварного биметаллического соединения алюминиевых и медных шин [8].

Сварка стыкового шва, соединяющего разнородные материалы, отличается от сварки однородных материалов по причине различия механических свойств исходных материалов. Предел прочности мягких шин из меди марки М1 должен составлять 220–240 МПа, в зависимости от толщины шины. Предел прочности алюминиевой шины марки АД0, в зависимости от состояния поставки, находится в диапазоне 60–130 МПа, шины марки АД31 — 100–250 МПа. Разница температур плавления алюминия (+660 °С) и меди (+1083 °С) затрудняет равномерное перемешивание металла соединяемых кромок в процессе сварки.

Учитывая приведенные обстоятельства, нами был опробован способ сварки стыкового шва по накладной технологической пластине. Условная схема процесса показана на рис. 1. На стальную подложку (3) устанавливаются алюминиевая (1) и медная (2) пластины. Поверх стыка устанавливается технологическая пластина (4) и прижимается к соединяемым пластинам и подложке прижимами (5). Вращающийся инструмент (6) внедряется в стык соединяемых деталей. Параметры сварки (усилие на инструменте F, частота вращения n, скорость подачи стола V) подбирались опытным путем соответственно геометрии рабочей части инструмента. Сварку проводили на опытной лабораторной установке, изготовленной ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель». Данная схема сварки обеспечивает контакт плоской части инструмента с однородным материалом, что позволяет организовать равномерный поток пластифицированного металла с верхней части пластины в область стыка.

Рис. 1. Условная схема процесса сварки трением с перемешиванием биметаллического соединения:
1 — алюминиевая пластина,
2 — медная пластина,
3 — металлическая подложка,
4 — накладная технологическая пластина,
5 — прижимы,
6 — инструмент

На рис. 2 приведено фото полученного таким образом образца сварного шва соединения АД0-М1 с толщиной заготовок 3 мм. Технологическая пластина толщиной 1,5 мм изготовлена из сплава АМг5, предел прочности которого не менее 280 МПа, т. е. превышает аналогичные величины для свариваемых металлов. На рис. 3 приведена макроструктура шлифа поперечного сечения сварного шва. Мы наблюдаем круговое движение материала, характерное для данного способа сварки. В данном случае происходит течение более прочного материала АМг5 с вкраплениями частиц меди. Граница соприкосновения алюминия и меди представляет собой непрерывную кривую без видимых пустот.

Рис. 2. Образец сварного шва соединения АД0-М1

Рис. 3. Макроструктура поперечного сечения образца сварного шва АД0-М1

Для оценки механических характеристик были изготовлены два модельных образца сварного шва АМг5-М1 толщиной 3 мм и накладной пластиной из сплава АМг5 толщиной 1,5 мм. При проведении испытаний на статическое растяжение измеренные величины предела прочности составили 151 и 155 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 10434 «Соединения контактные электрические». Поверхность разрыва совпадает с границей раздела алюминий-медь. Соответствующее фото представлено на рис. 4.

Рис. 4. Результат испытания на статическое растяжение образца сварного шва АМг5-М1

Практический интерес представляет возможность получения сварных соединений пакета медной фольги с шиной. На рис. 5 показано фото образца, полученного двусторонней сваркой пакета из десяти слоев медной фольги толщиной 0,3 мм и алюминиевой пластины из сплава АМг5 толщиной 3 мм. На рис. 6 представлено фото лицевой и обратной стороны модельного образца компенсатора аналогичного строения, полученного односторонней сваркой.

Рис. 5. Образец биметалла, полученного двусторонней сваркой пакета медной фольги толщиной 0,3 мм и алюминиевой пластины толщиной 3 мм

Рис. 6. Образец биметалла, полученного односторонней сваркой пакета медной фольги толщиной 0,3 мм и алюминиевых пластин толщиной 3 мм

При изготовлении комбинированных алюминий-медных шинопроводов важно обеспечить постоянство удельного линейного сопротивления в пределах всего шинопровода. Очевидно, что реализовать это требование можно сваркой алюминиевых и медных шин различной толщины. С этой целью были изготовлены модельные образцы из пластин сплава АА 6060 толщиной 5 мм и меди М1 толщиной 3 мм. В алюминиевых пластинах фрезеровалась выборка глубиной 3 мм, куда укладывалась медная пластина. Сварка выполнялась внахлест по алюминию. На рис. 7 показано фото полученного образца непосредственно после сварки и с удалением отработанного материала.

Рис. 7. Образец комбинированной шины, полученный сваркой пластины М1 толщиной 3 мм и пластин сплава АА 6060 толщиной 5 мм

Для оценки качества сварного соединения были проведены измерения проводимости данных образцов. На рис. 8 представлены результаты измерения падения напряжения вдоль оси образца при пропускании тока промышленной частоты I = 180 А. Как видно из рассмотрения рисунка, аномального повышения электрического сопротивления в области сварного шва не наблюдается.

Рис. 8. Результат измерения падения напряжения по оси комбинированной шины при прохождении тока I = 180 А промышленной частоты

Полученные результаты показывают широкие возможности технологии сварки трением с перемешиванием при изготовлении различных моно- и биметаллических элементов шинопроводов, что позволяет находить новые технические решения конструктивных элементов с иными техническими характеристиками и меньшей трудоемкостью изготовления.