銅及銅合金的焊接

1、銅與銅合金的焊接綜述摘要：目前對銅及銅合金焊接性的系統(tǒng)研究很少,經(jīng)過查閱有關(guān)資料,簡要介紹了銅及銅合金的分類、性質(zhì)；分析了銅及銅合金的焊接性、鋼與銅及銅合金的焊接性以及在焊接過程中易出缺陷(氣孔、裂紋)的原因和解決措施；探討了銅及銅合金、鋼與銅及銅合金的焊接工藝。關(guān)鍵詞：銅；銅合金；焊接性；銅及其合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、耐腐蝕性能和良好的加工成形性能,某些銅合金還兼有較高的強(qiáng)度,因而在電氣、電子、化工、食品、動力以及交通等工業(yè)部門均得到了廣泛的應(yīng)用。1銅及其合金焊接因其選用的材料品種和結(jié)構(gòu)形式的不同,因此在加工生產(chǎn)過程中采用了目前工業(yè)中主要的熔焊、壓焊和釬焊方法。2常規(guī)的焊接方法在熔化焊

2、接銅及大多數(shù)銅合金時容易出現(xiàn)基材難于熔合、坡口焊不透和表面成形差等外觀缺陷,并存在焊縫及熱影響區(qū)熱裂傾向大、氣孔傾向嚴(yán)重等問題。近年來,隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,又采用了電子束、激光、等離子弧等高能量熱源進(jìn)行焊接,取得了很好的效果。銅及銅合金具有良好的導(dǎo)熱性和很強(qiáng)的氧化性;由于銅及銅合金本身熔點(diǎn)低,而焊接時產(chǎn)生的金屬氧化物的熔點(diǎn)很高,這些難熔的氧化物會降低焊縫金屬的致密性和強(qiáng)度,同時還會產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷,因此給焊接帶來許多困難。本文就銅及銅合金的焊接性、焊接過程中易出現(xiàn)的問題及解決措施進(jìn)行了敘述。1 銅及銅合金的種類及性質(zhì)1.1 銅為面心立方晶格,具有較多的形變滑移系,室溫、高溫變形能

3、力很好,退火狀態(tài)的銅,不經(jīng)中間退火可壓縮85%95%而不產(chǎn)生裂紋。但純銅在500600呈現(xiàn)“中溫脆性”。在焊接過程中,易在此溫度區(qū)間發(fā)生裂紋。據(jù)研究,“中溫脆性”和雜質(zhì)的性質(zhì)、含量、分布、固溶度等有關(guān)。銅可分為無氧銅和含有少量氧的純銅。純銅的導(dǎo)電性能好,常用于導(dǎo)電材料,但是存在Cu2O-Cu的低熔點(diǎn)共晶物,焊接時易出現(xiàn)裂紋。無氧銅又可分為用P、Mn脫氧的脫氧銅和無氧銅,由于其焊接性好,常用于焊接結(jié)構(gòu)。1.2 銅合金銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。1.2.1 黃銅黃銅是Cu-Zn合金,根據(jù)Zn的含量不同又可分為很多種,為了改變黃銅的性能,也可以加入其它元素,如Al、Ni、Mn等。從而形成了鋁黃

4、銅、鎳黃銅、錳黃銅等。由Cu-Zn二元系相圖可知,黃銅固態(tài)下有、六個相,其中相是以銅為基的固溶體,其晶格常數(shù)隨Zn含量的增加而增大。Zn在銅中的溶解度與一般合金相反,隨溫度降低而增加,在456時固溶度達(dá)最大值后, Zn在銅中溶解度隨溫度的降低而減少。固溶體具有良好的塑性,可進(jìn)行冷熱加工,并有良好的焊接性能。黃銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、延展性及良好的加工成形性能，在兵器、電子、化工及航空航天工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在黃銅的加工工藝中，焊接成為必不可少的加工技術(shù)。目前，黃銅的焊接主要采用氣焊、手工電弧焊和氬弧焊等方法，但這些方法存在許多問題：一是由于黃銅的高導(dǎo)熱率，銅材很難熔化，填充金屬

5、和母材不能很好地熔合；二是焊接接頭的熱裂傾向大；三是易于產(chǎn)生氣孔缺陷；四是焊接接頭性能較差。1.2.2 青銅青銅是Cu與Sn、Al、Si等元素的合金。按成分可分為錫青銅、鋁青銅、硅青銅等。青銅具有較高的耐磨性、力學(xué)性能和耐蝕性,彈性和焊接性能都很好,且線收縮系數(shù)小。青銅廣泛用于鑄件和加工制品。1.2.3 白銅白銅是銅鎳合金,顏色呈銀色或淡灰白色。白銅具有耐熱和耐寒的性能,中等強(qiáng)度,塑性高,能進(jìn)行冷熱壓力加工,還有很好的電學(xué)性能,除用作結(jié)構(gòu)材料外,還是重要的高電阻和熱電偶合金。所以,白銅按其用途可分為結(jié)構(gòu)白銅和電工白銅。結(jié)構(gòu)白銅具有很好的耐蝕性,優(yōu)良的力學(xué)性能和壓力加工性能,焊接性好,主要用來制

6、造冷凝管、蒸發(fā)器、熱交換器和各種高強(qiáng)度的耐蝕件等。另外,白銅中也可加入其它元素,形成鐵白銅、鋅白銅、鋁白銅、錳白銅等。22 焊接性分析2.1 銅及銅合金的焊接 銅普通工程中所用的銅,其含量一般在99.95%以上,其余是雜質(zhì),雜質(zhì)的存在對銅的焊接性有很大的影響。(1) Bi與Pb是銅中的主要雜質(zhì),它們均不溶于固態(tài)銅,微量的Pb形成低熔點(diǎn)共晶組織(Cu+Pb),其共晶溫度為326; Bi與Cu也形成低熔點(diǎn)共晶組織(Cu+Bi),其共晶溫度為270,這些共晶體最后結(jié)晶,集中在晶界上,會使銅產(chǎn)生脆性,在焊接過程中形成裂紋,因此,應(yīng)限制Bi、Pb在銅中的含量, Bi<0.002%, Pb<0

7、.005%。(2) P的熔點(diǎn)為44,在700時P在銅中的溶解度為1.75%,而在200時的溶解度則僅為0.4%,溫度下降, P在銅中的溶解度也下降。它能顯著降低銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,但對銅的力學(xué)性能有良好的影響,焊接時可作為還原劑,但含量過多,會使焊縫金屬產(chǎn)生氣孔和裂紋。(3) S能溶解在熔融的銅中, S的存在使銅的熔點(diǎn)降低,形成Cu2S脆性化合物,使銅的塑性降低,當(dāng)S含量>0.1%時,銅就會有熱脆性,焊接時熱狀態(tài)就產(chǎn)生裂紋。(4)氧很少固溶于銅,與銅生成Cu2O,由Cu-O2相圖可知,含氧銅冷凝時,氧呈共晶體(Cu+Cu2O)析出,分布在晶界上,其熔點(diǎn)是1066,共晶體比銅后凝固,分布在

8、晶體的晶界,這就降低了銅的塑性和耐腐蝕性,也使其焊接性變差。銅有較高的導(dǎo)熱性(比低碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)大8倍),若加熱溫度不高,即使長時間加熱也不易使Cu熔化。而隨溫度的升高,它的結(jié)晶組織變?yōu)榇执?相互間連接能力降低。銅在焊接時易出現(xiàn)的缺陷主要有裂紋和氣孔。首先是熱裂紋和氫侵蝕裂紋。由于銅中含有一定量的使銅的固-液區(qū)間擴(kuò)大的雜質(zhì),如Pb、Bi、P、As等。所以,即使雜質(zhì)含量很少,也十分容易產(chǎn)生熱裂紋。其次是氫的侵蝕裂紋,由于銅中含有一定量的氧,焊接過程中,氫就會向銅中擴(kuò)散,發(fā)生如下反應(yīng):Cu2O+H22Cu+H2O所形成的H2O,以氣體形態(tài)聚集于晶界,造成氫侵蝕裂紋。生成的H2,也會形成氫氣孔。防止氣

9、孔的措施主要是在焊接材料中加入一定量的脫氧劑,提高焊前預(yù)熱溫度,減緩熔池的冷卻速度,以使H2、H2O能有時間逸出,另外還可以在焊槍上加電磁發(fā)生設(shè)備,使電磁作用于熔池,攪拌熔池,使氣體逸出。 銅合金黃銅在焊接時的主要困難是銅合金中Zn的蒸發(fā)(Zn在906時蒸發(fā)),由于Zn的蒸發(fā)而容易產(chǎn)生多氣孔的焊縫。在焊接錫青銅時,當(dāng)溫度升高, Sn極易蒸發(fā)或氧化成SnO2,在焊縫金屬中很難除去,于是形成氣孔和夾雜物,因此在焊接時應(yīng)加入一定量的脫氧劑。鋁青銅焊接時, Al和O2反應(yīng)生成難熔的Al2O3,為了清除Al2O3,可采用鋁合金焊接時的還原劑。Ni是白銅的主要成分, Ni的熔點(diǎn)為1 450,沸點(diǎn)3075,

10、并具有加熱到700800時仍不氧化的性能,因此,在焊接白銅的過程中,主要應(yīng)防止Cu的蒸發(fā)和防止O2、S、C的破壞作用。銅合金的焊接,最主要的問題是裂紋。與銅一樣,由于雜質(zhì)在晶界析出,銅合金也十分容易形成裂紋。在鋁青銅中,由于含Al量比較低,所以形成了單相的焊縫組織,裂紋敏感性比較高,特別是多層焊時,前一層易出現(xiàn)裂紋。如果提高Al的含量,就會形成+的雙相組織,可以抑制裂紋的出現(xiàn),但是Al的含量過高,會在相中析出2硬質(zhì)相,又會使裂紋敏感性增大,所以,Al的含量以7%11%為宜,且要加入一定量的Ni、Fe、Mn來抑制2硬質(zhì)相的析出。Cu和Ni無限互溶,因此焊縫組織是粗大的單相固溶體,由于受雜質(zhì)元素的

11、影響,固、液相區(qū)間擴(kuò)大,晶界析出低熔點(diǎn)共晶物,在焊接應(yīng)力的作用下,易形成裂紋。多層焊時裂紋敏感性更大,應(yīng)避免使用過大的焊接線能量。2.2 鋼和銅、銅合金的焊接Fe與Cu的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線脹系數(shù)差異較大,這對鋼與銅的焊接是不利的。由Fe和Cu的二元合金相圖可知:Fe<0.3%時為相,Fe<0.2%時為相,其它情況為+相組織,所以銅和鋼焊接時,在熔合線附近靠銅一側(cè)為+組織。鋼與銅、銅合金焊接時,主要問題是易出現(xiàn)熱裂紋、鐵稀釋侵入裂紋及滲透裂紋,而氣孔傾向比較小。(1)熱裂紋主要是由焊縫中的低熔點(diǎn)共晶體、組織狀態(tài)以及焊接應(yīng)力造成的。鋼和銅中都含有雜質(zhì),在焊接過程中能形成各種低熔點(diǎn)共晶體

12、和脆性化合物,容易產(chǎn)生偏析。焊接低碳鋼和銅、銅合金時,焊縫中易形成FeS (熔點(diǎn)為1189)、FeP (熔點(diǎn)為1050)和(Fe+FeS)共晶體(共晶溫度為985)。再加上銅中的一些低熔點(diǎn)共晶體,這些化合物和低熔點(diǎn)共晶體偏析于晶界,嚴(yán)重地削弱了金屬在高溫時的晶間結(jié)合力焊縫易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫中Fe含量對熱裂紋的影響也很大。當(dāng)Fe含量達(dá)0.2%1.1%時,焊縫金屬呈單相組織,抗熱裂紋能力降低,當(dāng)Fe含量加大時,焊縫變?yōu)?雙相組織,抗熱裂紋能力提高,當(dāng)Fe含量為10%43%時,抗熱裂紋能力最好。(2) Fe的稀釋侵入裂紋。在固態(tài)下, Fe和Cu幾乎不固溶,由于鋼的稀釋而使Fe侵入焊縫,偏析于晶界。和

13、Fe同時熔入焊縫的C濃縮于Fe中,形成含C較高的Fe的脆性化合物Fe3C,這種Fe的析出相硬而易偏析,降低了焊縫的韌性及抗裂紋能力。(3)銅的晶界滲透裂紋。在鋼表面堆焊銅及銅合金時,近縫區(qū)產(chǎn)生滲透裂紋的主要原因是液態(tài)銅對鋼的滲透和拉應(yīng)力共同作用而形成的。在結(jié)晶過程中,金屬組織往往存在缺陷,因此在鋼的結(jié)晶表面上,就會產(chǎn)生微觀裂口,這時處于液態(tài)的銅,容易侵潤微觀裂口表面,并在毛細(xì)管效應(yīng)的作用下,侵入微觀裂口中。侵入鋼中的銅或銅合金液體,對微觀裂口壁能產(chǎn)生一個附加壓力,其壓力值可達(dá)24.5 MPa,這樣,在拉應(yīng)力的共同作用下,近縫區(qū)就產(chǎn)生了熱裂紋。在銅基釬料高溫釬焊不銹鋼時出現(xiàn)的滲透裂紋,是由于富銅

14、的Cu-Mn液相在釬焊表面的潤濕鋪展是三維的,而Mn的蒸發(fā)及向基體金屬體積擴(kuò)散起到了“清道夫”和改善釬焊表面的作用,為潤濕鋪展創(chuàng)造了良好的條件。3銅及銅合金在焊接時出現(xiàn)的主要問題、原因及其防止措施3.1 出現(xiàn)的主要問題（1）焊接紫銅及某些銅合金時,如果采用與低碳鋼相同的焊接規(guī)范,則會產(chǎn)生難熔合的現(xiàn)象。（2）焊接結(jié)構(gòu)或工件焊后易產(chǎn)生較大的變形。（3）焊縫及熔合區(qū)常產(chǎn)生大量氣孔。（4）焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋。（5）焊接接頭的機(jī)械性能一般低于母材,尤其是塑性和韌性的降低更為顯著。焊接接頭的耐腐蝕性能也有所下降。3.2產(chǎn)生上述問題的原因（1）銅及銅合金的導(dǎo)熱性強(qiáng),與低碳鋼相比,紫銅導(dǎo)熱系數(shù)約大八倍。

15、因此焊接時除需采用功率較大的熱源外,厚度大的工件還必須預(yù)熱。（2）銅及銅合金的線膨脹系數(shù)幾乎比低碳鋼大50%以上。由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時的收縮率也較大,因此焊后易產(chǎn)生變形。（3）紫銅及某些合金,在高溫下強(qiáng)度及塑性降低、焊接時也是在近縫區(qū)形成裂紋。（4）產(chǎn)生氣孔的原因有兩個:一方面是銅及銅合金在液態(tài)時能溶解較多的氫,而在凝固和冷卻過程中,氫在銅中的溶解度大大降低,氫來不及逸出便要形成氣孔。另一方面是熔池中溶解的氫與熔池中的氧化亞銅反應(yīng).所生成的水蒸氣不溶于銅液中,在焊縫凝固時,如果未能及時逸出,便會形成氣孔。（5）銅及銅合金在常溫時不易被氧化。但是焊縫結(jié)晶時,氧化亞銅和銅形成低熔點(diǎn)(1064)共晶體

16、,分布在銅的晶界上,大大降低了焊接接頭的機(jī)械性能,所以,銅及合金的焊接接頭性能一般低于焊件。23.3 防止措施（1）防止銅的氧化。焊接前徹底清理焊件坡口,去除銅及銅合金表面的氧化層及工件表面、焊接材料中吸附的水分,以減少氧的來源。另外從焊接方法的角度考慮,可以選擇氬弧焊、埋弧焊等焊接方法來減少外界空氣中氧氣的侵入。焊接時同時要使用焊粉或焊劑。（2）防止氫的溶解。主要途徑是去除焊接工件及焊接材料中吸附的水分,同時降低熔池。（3）防止合金元素的氧化與蒸發(fā)。從工藝角度考慮,要降低焊接溫度,提高焊接速度,盡量減少熔池在高溫區(qū)的停留時間。又如焊接錫青銅時,可以采用硅、磷等脫氧劑的焊絲和焊劑,防止錫的氧化

17、和蒸發(fā)等。3.4合理的焊接工藝措施。焊接時要加強(qiáng)對焊接熔池的保護(hù),采取減少焊接應(yīng)力的措施。同時要根據(jù)母材選擇合適的焊接材料,嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù),有必要時要作焊后熱處理。24 銅及銅合金的焊接工藝隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,對銅及其合金的焊接技術(shù)要求愈來愈高,焊接新工藝、新技術(shù)得到不斷的推廣。人們在大量的科研生產(chǎn)實踐中取得了長足的進(jìn)展。4.1 銅及銅合金的焊接4.1.1 銅焊接過程中,最重要的是預(yù)熱、保溫,并采用較快的焊接速度,這樣才能使焊縫金屬很快達(dá)到熔化溫度,晶粒不會長得過大。特別是在焊厚板時,預(yù)熱溫度必須達(dá)到400500。另外,還要在焊接過程中加入一些脫氧還原劑,以便于清除焊縫中的O2、H2

18、、S等雜質(zhì)采用惰性氣體保護(hù)焊時,使用不同的氣體,得到熔深也不同,用雙原子氣體N2比Ar的熔深大,因此,保護(hù)氣體用N2時預(yù)熱溫度可以降低一些。一般在焊絲中加入一定量的Si比較好。用激光、等離子弧、電子束焊接則比較好,用電子束熔焊脫氧銅時,第一次焊易出現(xiàn)缺陷,再焊一次時則焊道成形良好。14.1.2 銅合金(1)黃銅 為了減少Zn的蒸發(fā),焊接時應(yīng)盡可能地采用快速焊,這就需要加大焊接線能量,因此,焊前最好先預(yù)熱,預(yù)熱溫度為200250。盡可能不補(bǔ)焊或在反面焊接,因為再次加熱會使黃銅中的Zn加劇蒸發(fā),晶粒增大,易出現(xiàn)裂紋。1(2)青銅 青銅在加熱狀態(tài)下脆性大,焊接時應(yīng)防止沖擊和震動。鋁青銅焊接時,Al和

19、O2化合成難熔的Al2O3,為了清除Al2O3可以采用鋁合金焊接時的還原劑。硅青銅焊接時, Si和O2化合成SiO2,形成薄膜,可以減少其它合金成分的蒸發(fā),具有很好的焊接性。1(3)白銅 白銅的流動性能比較好,焊接時也要依靠加入還原劑和采用較快的焊接速度,以保證焊接接頭的質(zhì)量。因B30、B10都存在中溫脆性,因此拘束度大的焊縫易出現(xiàn)裂紋,應(yīng)盡可能的采用小的焊接線能量,以使晶粒細(xì)小,提高焊接質(zhì)量。5 鋼和銅、銅合金的焊接銅和銅合金高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率對焊接性能影,響很大。如果采用的焊接規(guī)范與焊接同厚度的低碳鋼差不多,則母材就很難熔化,填充金屬與母材不能很好地熔合,產(chǎn)生焊不透現(xiàn)象,因此焊接時要采用大

20、功率的熱源,通常在焊前或焊接過程中必須采取預(yù)熱措施。55.1 鋼與銅及銅合金熔焊時常產(chǎn)生的問題 （1）難熔合及易變形由于銅和大多數(shù)銅合金的熱導(dǎo)率比普通碳鋼大711倍,熔焊時大量的熱從基材上散失,焊接區(qū)難以達(dá)到熔化溫度,造成難熔合。又因銅的線脹系數(shù)及收縮率比鐵大一倍以上,因此焊接時在無拘束條件下易變形。（2）熱裂傾向大由于Cu及Cu合金中合金元素及有害雜質(zhì)的作用,焊接時易形成低熔共晶體和脆性化合物,易產(chǎn)生偏析,使接頭產(chǎn)生熱裂紋。（3）氣孔傾向嚴(yán)重鋼與銅焊接時易出現(xiàn)氣孔,其主要原因是過量的氫存在。（4） 接頭性能下降在焊接過程中熱作用之下,晶粒嚴(yán)重長大,雜質(zhì)和合金元素的摻入,有用合金元素的氧化,各

21、種脆性的低熔共晶體出現(xiàn)于晶界,或產(chǎn)生脆性相,使接頭的塑性、韌性、導(dǎo)電性、耐蝕性等顯著下降。5.2 鋼與銅及銅合金的熔化焊鋼與銅及銅合金采用熔化焊時,經(jīng)常發(fā)生銅滲到鋼晶粒之間,產(chǎn)生熱應(yīng)力,使焊縫發(fā)生斷裂。同時合金元素易燒損、易蒸發(fā),且在焊縫中能夠產(chǎn)生錫、鉛等元素的偏析,因此,焊接時需要采取特殊的工藝措施。鋼與銅及銅合金的熔化焊的熔化焊分為：手工電弧焊，鎢極氬弧焊(TIG)，熔敷擴(kuò)散焊幾種焊接方法。35.2鋼與銅及銅合金釬焊鋼與銅及銅合金較精密的焊接,宜采用釬焊,釬焊不會出現(xiàn)熔化焊時易產(chǎn)生的裂紋、氣孔、偏析等問題,但釬焊時易降低接頭的抗腐蝕性能,接頭強(qiáng)度較低,且使用范圍受一定限制。鋼與銅及銅合金釬焊一般采用銅-磷-錫焊膏的