1. 概要
銅とアルミの溶接が行われる理由は、コストを削減し、重量を軽減するためです。アルミの密度は銅の約1/3で、価格は銅の約1/5であるため、銅の代わりにアルミが使用される場面が多く、特に電力業界では銅とアルミの溶接も登場しています。
しかし、銅やアルミニウムの表面は非常に酸化されやすく、特にアルミニウムの酸化膜は非常に堅固で、高温（融点は2050℃まで）に耐え、抵抗が大きいため、機械を接続すると、通電中に接点接触が不安定になり、煙が発生しやすく、爆発現象が発生し、火災などの重大な結果を引き起こしやすくなります。
一般的に、銅とアルミニウムの溶接には、溶融溶接、圧力溶接、ろう付けがあります。
2、銅とアルミニウムの溶接の難しさ
1. 銅とアルミニウムの溶接は異種金属（非鉄金属）溶接に属し、銅と銅、アルミニウムとアルミニウムの溶接よりもはるかに困難です。
2. 銅とアルミニウムはどちらも酸化されやすく、溶接プロセス中に高融点の酸化物が形成されるため、溶接金属が完全に融合することが困難になり、溶接が困難になります。
3. 銅とアルミニウムの溶接継手は脆く、割れやすい。銅とアルミニウムの溶融溶接では、銅側に近い溶接部でCuAl2などの共晶が形成されやすく、これが粒界近くに分布して粒界割れを起こしやすい。
4. 銅とアルミニウムの融点は非常に異なります。溶融溶接では、アルミニウムが溶けても銅は固体のままです。銅が溶けると、アルミニウムもかなり溶けてしまい、溶接の難易度が増します。
5. 溶接継ぎ目には気孔が生じやすい。銅とアルミニウムは熱伝導率が良いため、溶接中に溶融池内の金属が急速に結晶化し、高温の冶金反応ガスが逃げる時間がないため、気孔が発生します。
3. 銅とアルミニウムの溶接方法の紹介
1). TIG溶接
①溶接前の準備：a 銅とアルミの溶接部の表面をきれいにします。b ろう付け部分を面取りし、銅側の溶接面積と溶接部の銅含有量をできるだけ増やす原則に従って開先形状を決定します。一般的にはU字型の開先が使用され、アルミ側には開先がない場合があります。c 溶接材料はAg65Cu20Zn15、Q203、ER4043です。d 溶接機WES315と酸素アセチレン装置のセット。
②溶接作業：a. 加熱溶接中に変形やずれが生じないように、銅とアルミの溶接部を組み立てて固定します。b 最初に酸素アセチレン炎で銅側に銀の厚いはんだ（約1mm）の層をろう付けします。
c アルミシリコン溶接ワイヤを熱いうちにアルゴンアーク溶接に使用します。溶接プロセス中、タングステンアークの中心はアルミニウム溶接部の側面に偏向します（これは銅とアルミニウムの直接のタングステンアルゴンアークとは異なります）。
溶接工程の基本的な考え方は、溶接部における銅の含有量を最小限に抑えることと、銅側をろう付けし、アルミニウム側を溶接することです。
d 溶接トーチとワークピース間の傾斜角度は通常 75 ～ 85 度で、アーク開始時は 90 度、その後は通常の傾斜角度 (アルミニウム側に偏る) を維持します。
e タングステンアークの長さは一般的に約 5mm で、溶接部が薄いほどアークの長さは短くなります。
f 充填されたアルミ溶接ワイヤを溶融池の端に置き、溶接片と溶接部の間の角度は 15 度未満です。ワイヤの端は溶融池に接触してはなりませんが、常にアルゴン保護範囲内にある必要があります。アルミ溶接ワイヤを非常に高く持ち上げたり、傾斜角度が大きすぎたりしないでください。
g フィラーアルミ溶接ワイヤは、アーク側で必要に応じて予熱し、その後アークの中心に供給してマトリックスと融合させ、アルミ溶接ワイヤの大きな部分を回避する必要があります。
h タングステン電極が溶接部にくっついてしまった場合は、急いで溶接トーチを持ち上げず、まず制御スイッチを放し、次に溶接トーチを軽く振ってタングステン電極を溶接部から離してください。そうしないと、タングステン電極が簡単に壊れてしまいます。
i アルゴンアーク溶接ヘッドの先端にクレーター、亀裂、陥没などの欠陥がある場合は、アルゴンアーク溶接ヘッドの先端の溶接ワイヤの充填量を適切に増加させ、平時からアルゴンアーク溶接技術を向上させる必要があります。
③溶接後、技術要件に合わせて研磨する。
2). サブマージアーク溶接
① 一般的に銅側は面取り（通常はU字型）されており、アルミ側は面取りされていません。
②サブマージアーク溶接時は、アークがアルミニウム側を向くようにし、最適なオフセット距離は5～7mmです。
③溶接部にはSi、Zn、Ag、Snなどの元素を適切に添加する必要がある。
④溶接パラメータの例：銅板とアルミ板の厚さは10mm、アルミ溶接直径はø2.5、材質はSAl2、溶接電流は400〜420A、溶接電圧は38〜39V、溶接速度は0.58cm / sです。
3). 電子クイック溶接
直接電子ビーム溶接を避けるため、溶接後の接合部にはCuAl2共晶組織のθ相が形成され、多量のη相と相が添加されて溶接金属が硬く脆くなります。中間合金層には、通常Agが使用されます。相互に溶解可能な固溶体が形成されるため、中間層として厚さ約1mmのAgで溶接することで良好な接合部が得られます。
4). 銅とアルミニウムのフラッシュバット溶接
①溶接前の準備： a. 銅とアルミの溶接部の加工は、形状が正確で真っ直ぐである必要があります。 b. 表面の汚れや酸化物をきれいにします。 c. 銅とアルミの溶接部品を焼鈍処理（銅部品は600〜650度で40〜60分間保温、水中で冷却。アルミ部品は400〜450度で40〜60分間保温、空冷）して、硬度を下げ、可塑性を高め、溶接継手の品質を向上させます。
②フラッシュバット溶接は、脆い金属間化合物を接合部から押し出すことで、接触面の大きな塑性変形を引き起こし、より良好な接合部を得ることができるため、銅とアルミニウムの溶接の重要な方法の1つです。
③フラッシュバット溶接機のパラメータ選択例（LQ{{0}}型使用）：銅とアルミ溶接部品の突合せ溶接面6×60mm²、延長長さCu29mm、Al17mm、治具圧力0.44MPa、据え込み圧力0.29MPa、焼成時間4.1秒、ライブ据え込み時間1/50秒、カム角度270º。
5). 摩擦溶接
①低温摩擦接合（現在主流の摩擦接合法）：
a 摩擦面の温度を銅とアルミニウムの共晶点温度 548 度以下に制御すること、つまり、銅とアルミニウムの摩擦圧接を 460 ～ 480 度の温度範囲内で完了することです。この温度範囲は最適な範囲であり、満足のいく銅とアルミニウムの溶接が得られます。コネクタ。半加熱圧接に属し、単位面積あたりの必要な据え込み圧力は冷間圧接よりも小さいですが、フラッシュバット溶接よりも大きくなります。
b 低温摩擦溶接の技術パラメータ選択の例：銅とアルミニウムの溶接部の直径 ø10、速度 450r/min、摩擦時間 6s、据え込み圧力 392MPa、維持時間 2s、12.6cm/分、溶接前の予圧 490~588N、摩擦圧力 166~196MPa。
②高温摩擦圧接：高温摩擦圧接では、回転線速度が0.58m/sに達し、接触面の温度がアルミニウムの融点（660度）に達し、銅アルミニウム共晶温度（548度）を完全に超えます。この温度で、銅原子とアルミニウム原子は互いに拡散反応を起こし、良好な溶接継手を形成できます。
b 溶接前の準備: 銅の端面を 90 度のテーパー角に加工し、銅とアルミニウムの溶接物を焼成し、焼きなまし後に清掃します。
c. 高温摩擦溶接の技術パラメータ選択の例：銅-アルミニウム溶接部の直径ø10mm、回転速度r/min、外輪線速度0.71m/s、支持摩擦圧力147MPa、銅シャフト角度60º。
6). 冷間圧接
冷間圧接の本質は、溶接するワークピースを常温で利用して塑性変形を生じさせ、ワークピースの接触面の酸化膜を溶接部から押し出すことで、界面間の金属原子が原子間引力の距離に達し、原子間拡散を伴って、原子間に強力な結合を作り出すことです。主に小中断面の銅とアルミニウムの溶接に適しています。
①銅とアルミの突合せ溶接：
a 突合せ冷間プレス溶接は、外部加熱源を使用せずに室温で行われ、金属組織は再結晶化および軟化焼鈍を経ず、接合部の強度は母材の強度よりも低くなく、突合せ接合部の断面積は1〜1000mm²の範囲です。変圧器、架空線など。
b. 銅とアルミニウムの突合せ冷間圧接溶接の技術パラメータの選択例：溶接前に焼鈍処理、銅とアルミニウムの溶接部の直径 ø10mm、各溶接部の突出長さ：銅 10mm、アルミニウム 10mm、据え込み鍛造 3 回、据え込み圧力 333MPa。
②銅とアルミの重ね溶接：
a) 銅やアルミニウムのプラスチック材料を板と板、線と線、線と板、箔と線、箔と板などの形で冷間プレス溶接する場合、最適な接合形態は重ね接合です。冷間スポット溶接は、抵抗スポット溶接と同様の方法で行うことができます。
はんだ接合部圧子の形状は円形：d=(1~2)δ、長方形：a=(1~2)δ、b=5~6aです。
マルチスポット溶接では、分布をずらす必要があり、溶接スポットの中心間の距離は 2d より大きくする必要があります。
b. 銅とアルミニウムのタワー接続の冷間圧接の技術パラメータの選択例：溶接部のサイズは40×4mm²、重ね合わせ長さは70mm、はんだ接合部の数は6、圧力点の直径はAl ø7、Cu ø8、圧子の全長はAl 30mm、Cu 55mm、点の中心距離は10mm、圧力は235MPa。
7). コンデンサエネルギー貯蔵溶接
①容量性エネルギー貯蔵溶接は抵抗溶接の特殊な形式であり、固相溶接に属します。エネルギー貯蔵溶接の本質は、エネルギーを事前に一定の形で貯蔵し、それを非常に短い時間で溶接部を通して放出し、接合部で大量の熱エネルギーを瞬時に発生させ、同時に急速な押し出しの下で溶接継手を形成することです。銅とアルミニウムの電気伝導性と熱伝導性は非常に優れているため、溶接時には大電流と短時間の強力な仕様を採用する必要があります。コンデンサエネルギー貯蔵溶接は、特に断面積の小さい銅線とアルミ線の溶接に適しています。現在、銅線とアルミ線の溶接に理想的な方法ですが、プロセスパラメータの調整範囲が狭いため、溶接前に溶接プロセスパラメータを厳密に遵守する必要があります。高品質の銅アルミ溶接継手を生成します。
②銅とアルミ細線のコンデンサエネルギー貯蔵溶接プロセスパラメータの選択例：線径Alø1.81、Cuø1.56、静電容量8000uF、溶接電圧190〜210V、延長長さAl2.5mm、Cu2.0mm、据え込み圧力608MPa、クランプ力2650N、変圧比60:1。
8). 真空拡散溶接
①真空拡散溶接は主に冷凍設備や電力設備の銅アルミ接合部の製造に使用され、プロセスパラメータが厳密に制御されており、溶融溶接、ろう付け、フラッシュバット溶接よりも品質が安定しています。
②溶接前に、銅とアルミニウムの溶接部の表面を厳密に加減、研磨、再研磨、洗浄し、定規が滑らかで不純物がないようにする必要があります。銅板とアルミニウム板を重ねて真空チャンバーに入れます。銅とアルミニウムの真空拡散溶接に影響を与える要因は、加熱温度、溶接圧力、保持時間、真空度、溶接部の表面品質などです。
③銅とアルミの真空拡散溶接の技術パラメータの選択例：厚さ0.2〜0.5mmの銅とZAl2硬質アルミ合金の真空拡散溶接を行う場合、加熱温度は480〜500度、保持時間は10分、圧力は4.9〜9.8MPa、真空度は1.33×10−²〜1×10−³Paです。
9). ろう付け
①中低温ろう付け
A スクラッチ溶接: HL501 (Zn58Sn40Cu2) を選択します。一般的な商用仕様は鋳造棒 5×20×350mm³ です。溶接方法は非常に簡単で、銅とアルミニウムの溶接部をフラックスなしで約 300 度に加熱し、溶接部を削ってみます。はんだが溶けていない場合は、削った後、はんだが継ぎ目を満たすまで加熱を続けます。
BM51+M51-F: この種類のはんだとフラックスのろう付け温度は 179 度と非常に低いです。溶接中はんだを直接加熱することはできません。銅とアルミニウムの溶接部を加熱し、溶接部の熱を利用してはんだを溶かします。加熱ツールが利用可能です。: 電気はんだごて、ホットエアガン、液化ガススプレーガン、灯油トーチ、ガソリントーチ、酸素アセチレントーチなど。
C ディップろう付け：ろう付けフィラー金属（Zn96〜98％Pb2〜4％）、フラックスはロジン（C20H30O2）と無水散水エッセンス（比率は1以上）、溶接方法：ロジンアルコール溶液でコーティングされた銅-アルミニウム接合部を、約440度のろう材に素早く浸してろう付けします。
D WE CuAl-Q303：この溶接材料は、フラックス入り銅アルミニウム溶接ワイヤです。ろう付け温度は約400度です。独自のろう付け粉末と有機非腐食性フラックスを備えています。ろう付け粉末は金属クラッドとともに溶け、銅とアルミニウムの金属を素早く破壊します。表面の酸化膜と金属の表面張力により、再酸化を防ぐことができます。金属表面ははんだ粉末によって濡れているため、はんだは毛細管現象によって溶接シーム全体を満たすことができます。操作は簡単で、通常、溶接後の清掃は必要ありません。
E その他の溶接材料の紹介：WE53+WE53-Fはフラックス入りソリッドコア溶接ワイヤで、ろう付け温度は約400度です。XR-FC22、XR-FC0215、ER15、E9802、FR301などはフラックス入り溶接ワイヤで、より使いやすいです。
②高温真空ろう付け
はんだ: AlSi12
b 溶接前の準備: 糸状のろう材を0.5~1mmの厚さの背面形状のシートに押し付けます。銅、アルミニウムの溶接部分とろう材をきれいにします。
C 組み立て：ステンレス板を使用し、アルミ・はんだ・銅の順に組み立ててクランプし、層状に配置します。
D 炉ろう付け: 炉に入った後、真空引きを開始します。真空度が 10-²Pa に達したら、加熱装置を起動します。加熱速度は 10 ~ 20 度 / 分で、150 度で 5 分、350 度、540 度でそれぞれ 5 分維持します。その後、連続的に 624 度まで加熱し、6 分間温度を維持してから冷却します。600 度以下に冷却したら、加熱装置をオフにして 450 度以下に冷却し、冷却速度を速めるために窒素を充填し、100 度以下に冷却してから炉のドアを開けます。
10) その他の溶接方法
銅とアルミニウムの溶接方法は上記の他に爆発溶接、超音波溶接なども使用できます。
