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铜及其与异种材料的焊接
时间:2016-11-7 13:02:56   来源:国家焊材质检中心

铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定的强度等特性。在纯铜(紫铜)中添加10余种合金元素,形成固溶体的各类铜合金,如加锌为黄铜;加镍为白铜;加硅为硅青铜;加铝为铝青铜等。


铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等工艺方法实现连接,在工业发达的今天、熔焊已占据主导地位。用焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊等工艺方法容易实现铜及铜合金的焊接。影响铜及铜合金焊接性的工艺难点主要有四项元素:一是高导热率的影响。铜的热导热率比碳钢大7-11倍,当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时,则铜材很难熔化,填充金属和母材也不能很好地熔合。二是焊接接头的热裂倾向大。焊接时,熔池内铜与其中的杂质形成低熔点共晶物,使铜及铜合金具有明显的热脆性,产生热裂纹。三是产生气孔的缺陷比碳钢严重得多,主要是氢气孔。四是焊接接头性能的变化。晶粒粗化,塑性下降,耐蚀性下降等。


1、紫铜的焊接


焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、焊条电弧焊和手工氩弧焊等方法,大型结构也可采用自动焊


(1) 紫铜的气焊焊接最常用的是对接接头,搭接接头和丁字接头尽量少采用。气焊可采用两种焊丝,一种是含有脱氧元素的焊丝,如丝201、202;另一种是一 般的紫铜丝和母材的切条,采用气剂301作助熔剂。气焊紫铜时应采用中性焰。


(2)紫铜的焊条电弧焊接。焊件厚度大于4毫米时,焊前必须预热,预热温度一般在400~500℃。用铜107焊条焊接,电源应采用直流反接。焊接时应当用短弧,焊条不宜作横向摆动。焊条作往复的直线运动,可以改善焊缝的成形。长焊缝应采用逐步退焊法。焊接速度应尽量快些。多层焊时,必须彻底清除层间 的熔渣。焊接应在通风良好的场所进行,以防止铜中毒现象。焊后应用平头锤敲击焊缝,消除应力和改善焊缝质量。


(3)紫铜的手工氩弧焊。在紫铜手工氩弧焊时,采用的焊丝有丝201(特制紫铜焊丝)和丝202,也采用紫铜丝,如T2。焊前应对工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物都必须清理干净,避免产生气孔、夹渣等缺陷。清理的方法有机械清理法和化学清理法。


对接接头板厚小于3毫米时,不开坡口;板厚为3~10毫米时, 开V形坡口,坡口角度为60º~70º; 板厚大于10毫米时,开X形坡口,坡口角度为60º~70º;为避免未焊透,一般不留钝边。根据板厚和坡口尺寸,对接接头的装配间隙在0.5~1.5毫米范围内选取。


紫铜手工氩弧焊,通常是采用直流正接,即钨极接负极。为了消除气孔,保证焊缝根部可靠的熔合和焊透,必须提高焊接速度,减少氩气消耗量,并预热焊件。 板厚小于3毫米时,预热温度为150~300℃;板厚大于3毫米时,预热温度为350~500℃。预热温度不宜过高,否则使焊接接头的力学性能降低。


还有紫铜的碳弧焊,碳弧焊使用的电极有碳精电极和石墨电极。紫铜碳弧焊所用的焊丝和气焊时一样,也可用母材剪条,可用气焊紫铜的助熔剂,如气剂301等。


2、黄铜的焊接


黄铜焊接的方法有:气焊、碳弧焊、焊条电弧焊和氩弧焊


(1)黄铜的气焊。由于气焊火焰的温度低,焊接时黄铜中锌的蒸发比采用电焊时少,所以在黄铜焊接中,气焊是最常用的方法。


黄铜气焊采用的焊丝有:丝221、丝222和丝224等,这些焊丝中含有硅、锡、铁等元素,能够防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损,有利于保证焊缝的性能和防止气孔产生。气焊黄铜常用的熔剂有固体粉末和气体熔剂两类,气体熔剂由硼酸甲脂及甲醇组成;熔剂如气剂301。


(2)黄铜的焊条电弧焊。焊接黄铜除了用铜227及铜237外,也可以采用自制的焊条。


黄铜焊条电弧焊时,应采用直流电源正接法,焊条接负极。焊前焊件表面应作仔细清理。坡口角度一般不应小于60º~70º,为改善焊缝成形,焊件要预热 150~250℃。操作时应当用短弧焊接,不作横向和前后摆动,只作直线移动,焊速要高。与海水、氨气等腐蚀介质接触的黄铜焊件,焊后必须退火,以消除焊 接应力。


(3)黄铜的手工氩弧焊。黄铜手工氩弧焊可以采用标准黄铜焊丝:丝221、丝222和丝224, 也可以采用与母材相同成分的材料作填充材料。


焊接可以用直流正接,也可以用交流。用交流焊接时,锌的蒸发比直流正接时轻。通常焊前不用预热,只有板厚相差比较大时才预热。焊接速度应尽可能快。焊件在焊后应加热300~400℃进行退火处理,消除焊接应力,以防止焊件在使用过程中裂缝。


(4)黄铜碳弧焊。黄铜碳弧焊时,根据母材的成分选用丝221、丝222、丝224等焊丝,也可用自制的黄铜焊丝施焊。焊接可以采用气剂301等作熔剂。焊接应短弧操作,以减少锌的蒸发和烧损。 


直流TIG焊工艺方法广泛应用于铜及铜合金的焊接,焊风成形好,内外质量优良,在氩气的保护下,熔池纯净,气孔少,热裂影响小,操作易掌握。厚度≤4mm 时可不用焊前预热,直接用氩气预热,待熔池温度接近600℃时,可加填充焊丝熔化母材,实现焊接。厚度大于4mm的铜材,纯铜应预热400~600℃。铜 合金焊接预热200~300℃。300TSP,315TX直流TIG焊机可焊接纯铜、硅青铜、磷青铜、黄铜、白铜等铜合金。300WP5、 300/500WX4交直流两用TIG焊机可用交流TIG焊接铝青铜(用交流方波清除表面氧化膜)及用直流TIG焊接上述铜材。


近年来,采用MIG方法焊接铜及铜合金的施工越来越多,尤其对于厚度≥3mm的铝青铜、硅青铜和白铜最好选用MIG焊方法。厚度3~14mm 或>14mm的铜及铜合金几乎总要选用MIG焊,因为熔敷效率高、熔深大、焊速快(一般为TIG焊的3~4倍),实现高效、优质、低成本的经济效益 要求。铜材施焊前均应达到预热温度要求(纯铜400~600℃,铜合金200~300℃),焊丝与母材化学充分相似,氩气纯度≥99.98%


3、不锈钢与铜及其合金焊接方法

不锈钢与铜及其合金焊接主要问题是焊缝区及熔合区易产生裂纹和热影响区渗透裂纹,焊接填充金属选用不当更是如此。


如采用奥氐体不锈钢作填充金属材料,由于铜也是奥氐体组织形成元素,焊缝仍为奥氐体组织在结晶时晶粒晶粒间存在一层低熔点的液态铜,很容易引起裂纹,


当改用蒙乃尔合金作填充金属材料(如Ni70%+Cu30%)时由于焊缝中含镍较高,能增加铜在奥氐体组织中的熔介度,可以减少铜的有害作用,使热裂纹倾向降低。

又如采用某些铜合金(如铝青铜)和紫铜作填充金属材料时,由于焊缝中含铜量较高,故结晶时奥氐体晶粒间低熔点的铜液较多,有一定愈合作用,所以热裂纹倾向较少,


但焊缝中熔入的Fe,M,Cr等使焊缝变脆,冲击韧性降低,并且在不锈钢一侧热影响区中仍可能产生渗透裂纹,所以只有在对接头机械性能要求不高时,才可以采用这类填充金属材料。

由于镍无论在液态或固态都能与铜无限互溶,因此焊接时采用纯镍(Ni≥90%,Fe≤8%)做填充金属材料,能极大地排除铜的有害作用,而且还能有效地防止渗透裂纹,是最好填充金属材料。

焊接工艺:

1. 选用纯镍作填充金属丝,也可用铸铁焊条Z308去除药皮擦干净作填充金属丝。

2. 在不锈钢或铜上(接触焊面)堆焊一层过渡层,然后进行焊接。

3. 两工件焊接边缘,需去除氧化层,用砂纸打磨至光亮金属为止。

4. 由于铜散热快,镍极电弧应偏铜的一方稍多,只利于焊缝熔合良好。

5. 采用交流电源焊接,可减少金属熔化时的蒸发,尤其不锈钢与铝青铜的焊接。

6. 焊接电流可根据工件厚薄和大小,而进行精细的调节准确。

7. 氩气流量,为12~15升/分,最好选用高纯氩。


4、铜与钢的焊接

方法一:用气焊,加紫铜焊丝。

方法二:用钨极氩弧焊,加紫铜焊丝。

方法三:用J507焊条,外缠Φ1.25的纯铜丝(若是漆包线必须清理干净),焊前经350℃烘焙2h,降至100℃时随用随取。焊前将工件清理干净,用氧乙炔火焰预热,预热温度为650~700℃,焊接过程中应保持此温度。焊条选Φ3.2mm的,电流选上限值,焊速为5~225px/min,直流反接法施焊。


为保证焊透,电弧在铜板一侧停留稍长时间,利用电弧吹力使铜和钢充分均匀混合。根据板材厚度决定缠绕的疏密程度,一般间距为2~3mm,铜丝不能和焊芯及钳口相接触。

按原理来说,铜和大多数金属无限互溶。焊接时采用紫铜线或者黄铜焊丝都可以。以紫铜焊接为例,由于紫铜导热较快,如果你的铜板较厚的话,铜板就要先预热到200~300度,采用气焊或者氩弧焊焊接都可以


由于钢板的熔点比紫铜高近500度,所以焊接时,电弧先偏向钢板一侧,使电弧热量偏重于钢板,等钢板一侧形成熔池后再把电弧稍往紫铜一侧倾斜,往熔池送焊丝即可。


5、铜与铝的焊接

铝与铜的焊接特点

铝与铜可以用熔焊、压焊和钎焊,其中以压焊应用最多。


熔焊的主要困难是铝和铜的熔点相差很大(达423°C),焊接时很难同时熔化。高温下铝强烈氧化,焊接时需有防止氧化措施和清除熔池中的氧化物。铝和铜在液态下无限互溶,在固态下有限固溶。铝和铜能形成多种由金属间化合物为主的固溶体相,其中有AlCu2、Al2Cu3、AlCu、Al2Cu等。铝-铜合金中铜含量在12%~13%(质量分数)以下时,综合性能最好,因此熔焊时应设法控制焊缝金属的铝铜合金中铜的含量不超过这个范围,或者采用铝基合金。


铝和铜均为塑性很好的金属,因此两者很适于用压焊焊接,尤其是冷压焊、摩擦焊、扩散焊等。


主要焊接工艺要点如下:


熔焊: 铝与铜组合最好采用氩弧焊。焊时,电弧中心要偏向铜板一侧,偏移量相当于厚度的1/2,以达到两侧同时熔化。可采用纯铝或铝-硅作填充焊丝。焊缝金属中加入合金元素可改善铝铜熔焊接头质量,加入锌、镁能限制铜向铝中过渡;加入钙、镁能使表面活化、易于填满树枝状结晶的间隙;加入钛、锆、钼等难熔金属有助于细化组织;加入硅、锌能减少金属间化合物。加入方法可在焊前涂到铜的待焊表面上。


采用埋弧焊时,接头形式如图1所示。电弧与铜件坡口上缘的偏离值l=(0.5~0.6)δ,δ为焊件厚度。铜侧开J形坡口,铝侧为直边。在J形坡口内预置φ3mm的铝焊丝。当工件厚度为10mm时,采用焊丝直径φ2.5mm,送丝速度332m·h-1,焊接电流400~420A,电弧电压38~39V,焊接速度21m·h-1。焊后焊缝金属中w(Cu)在8%~10%范围,可得到满意的接头力学性能。

 

压焊:(1)摩擦焊。棒料对接时,焊前需对工件退火,锉平接合表面,并尽快焊接,以免沾污或重新生成氧化膜。摩擦焊加热温度应低于铝铜共晶温度(548°C),一般控制在460~480°C。这样既能防止产生脆性的金属间化合物,又能保证有足够的塑性变形。


板料对接可以采用搅拌摩擦焊,只要焊接参数选择合适,也能获得良好的焊接接头,以板厚为2mm的铝合金5A06(LF6)+纯铜T1对接焊为例,在搅拌头转速375~1180r·min-1,焊接速度30~150mm·min-1较宽范围内焊接都能获得良好的焊缝成形。其中以转速1180r·min-1,焊接速度30mm·min-1时的接头抗拉强度最高,达到297~62MPa,是铝合金5A05(314MPa)的95%。


另一例子颇有特色,板厚为4mm的5A05+T2对接搅拌摩擦焊,焊接时把纯铜T2位于前进侧,搅拌头的搅拌针偏向铝合金5A05侧0.9mm,焊前预热200°C,以搅拌头转速为1250r·min-1,焊接速度为40mm·min-1进行焊接,同样获得良好的焊缝成形。


(2)电阻闪光焊和储能对焊 铝-铜闪光对焊和电容储能对焊都是依靠提高顶锻速度和足够大的顶锻力,同时严格控制有电顶锻时间,将已形成的金属间化合物随液态金属一起挤出接口之外,使脆性层尽量的薄和不连续,来保证接触面处产生较大塑性变形。例如:闪光对焊时,采用大电流(比焊钢时大一倍)、高送料速度(比焊钢时高4倍),高压快速顶锻(100~300mm·s-1)和极短的通电顶锻时间(0.02~0.04s)。有时为了防止产生脆性化合物,事先在铜表面上镀上锌、铝或银钎料。


真空扩散焊铝-铜真空扩散焊可获得导电、导热性能都很好的牢固接头。焊时不需加中间过渡层,其主要焊接参数为:真空度6.67×10-3Pa,焊接温度500~520°C,压力9.8MPa,时间10min。详见机械工业出版社出版的《焊接工程师手册》第五篇第5章。


钎焊:在电器元件制造中经常采用铝-铜钎焊,详见机械工业出版社出版的《焊接工程师手册》第五篇第10章。


熔焊-钎焊:熔焊-钎焊是熔焊和钎焊联合用于铝-铜接头的一种焊接技术。通常是对铜用钎焊,即在铜的待焊表面先搪一层锌基钎料或镀一层50~60μm的锌层。然后与铝进行熔焊,只熔化铝一侧。如果用气焊,则用CJ401焊剂和纯铝焊丝进行焊接;用钨极氩弧焊时,只需填充铝焊丝。