銅及銅合金的焊接性分析

銅及銅合金的焊接一、銅及銅合金種類(lèi)工業(yè)純銅稱(chēng)為紫銅。慣用銅合金有黃銅（銅鋅合金）、青銅兩類(lèi)。在同和銅合金中焊接量最大的是純銅和黃銅。青銅焊接多為鑄件缺點(diǎn)的焊補(bǔ)，在機(jī)械制造工業(yè)中白銅（銅鎳合金）焊接應(yīng)用較少。1.紫銅的牌號(hào)和性能根據(jù)含氧量的不同，紫銅可分為工業(yè)紫銅（牌號(hào)有T1、T2、T3、T4）、脫氧紫銅（TUP）和無(wú)氧紫銅（TU1、TU2）。紫銅熔點(diǎn)1083℃。紫銅含有極高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、優(yōu)良的可塑性，在低溫下紫銅仍能保持較高的塑性，因此在制冷設(shè)備中用得較多。但是，在400～700℃的高溫下，紫銅的強(qiáng)度及塑性明顯減少，這是它的缺點(diǎn)。在退火狀態(tài)（軟狀態(tài)）下的紫銅強(qiáng)度低、塑性高。經(jīng)冷加工變形后（硬狀態(tài)），強(qiáng)度提高，但塑性明顯減少。紫銅的冷作硬化效應(yīng)可由550～600℃的退火工序消除掉，使塑性得以完全恢復(fù)。2.黃銅的牌號(hào)和性能銅和鋅的合金成為普通黃銅，其顏色隨含鋅量的增加由黃紅色變成淡黃色。根據(jù)工藝性能、機(jī)械性能和用途的不同，黃銅可分為壓力加工用黃銅和鍛造黃銅。黃銅以字母H編號(hào)，普通黃銅H后的數(shù)字表達(dá)銅的平均含量，特殊黃銅在H后還要注明所加入重要元素的化學(xué)符號(hào)，然后在銅的平均含量后，列出所加入重要元素的平均含量，例如HMn58-2表達(dá)含銅量58%，含錳量2%的錳黃銅。經(jīng)冷加工（沖壓、彎曲等）或焊接后的黃銅，由于存在內(nèi)應(yīng)力，在濕氣、氨、海水等腐蝕介質(zhì)的作用下容易發(fā)生腐蝕裂縫。為避免上述現(xiàn)象，冷加工或焊接后的黃銅必須進(jìn)行退火，以消除內(nèi)應(yīng)力，退火溫度為300～400℃。3.青銅的牌號(hào)和性能凡不以鋅為重要構(gòu)成而以錫、鋁、硅、鉛或鈹?shù)仍貥?gòu)成的銅合金稱(chēng)為青銅。慣用的青銅有錫青銅、鋁青銅、硅青銅、鈹青銅等。青銅含有較高的機(jī)械性能、耐磨性、鍛造性能和耐腐蝕性能。慣用來(lái)制造多個(gè)耐磨、耐蝕的零件，如軸套、軸瓦、閥體、泵殼、渦輪等。青銅可分為壓力加工用的青銅和鍛造用的青銅，在工業(yè)上應(yīng)用較多的是鍛造青銅。青銅常以字母Q編號(hào)，字母后標(biāo)以重要合金元素的化學(xué)符號(hào)及平均含量，并在最后還標(biāo)出其它合金元素的平均含量，余量為銅。例如QSn3-7-5-1，表達(dá)含錫3%、鋅7%、鉛5%鎳1%的錫鋅鉛鎳青銅。二、銅及銅合金的焊接性1.紫銅的導(dǎo)熱率高。常溫下紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)比碳鋼約大8倍，要把紫銅焊件局部加熱到熔化溫度比較困難，因此在焊接時(shí)要采用能量集中的熱源。2.銅及銅合金焊接時(shí)常會(huì)出現(xiàn)裂縫。裂縫的位置在焊縫、熔合線及熱影響區(qū)。裂縫呈晶間破壞，從斷面上可看到明顯的氧化色。焊接結(jié)晶過(guò)程中，微量氧與銅形成Cu2O，并與α銅構(gòu)成低熔點(diǎn)共晶（α+Cu2O），其熔點(diǎn)為1064℃。鉛不溶于固態(tài)銅，鉛與銅生成熔點(diǎn)約326℃的低熔點(diǎn)共晶體。高溫下的銅及銅合金接頭在焊接內(nèi)應(yīng)力的作用下，在焊接接頭的脆弱部位形成裂紋。另外，焊縫中的氫也可造成裂紋。3.銅及銅合金的焊縫中常會(huì)出現(xiàn)氣孔。純銅焊縫金屬中的氣孔重要是由氫氣引發(fā)的。當(dāng)純銅中溶解有CO氣體時(shí)，也可能由水汽及由一氧化碳和氧反映生成的CO2氣體引發(fā)氣孔。銅合金焊接時(shí)的氣孔形成傾向比純銅要大得多。普通氣孔分布在焊縫中心及靠近熔合線處。4.純銅及銅合金焊接時(shí)，存在著接頭力學(xué)性能減少的傾向。在銅合金的焊接過(guò)程中會(huì)發(fā)生銅的氧化及合金元素的蒸發(fā)、燒損現(xiàn)象。低熔點(diǎn)的共晶及多個(gè)焊接缺點(diǎn)造成焊接接頭強(qiáng)度、塑性、耐蝕性及導(dǎo)電性減少。三、銅及銅合金的焊接辦法銅及銅合金的焊接辦法諸多，如氣焊、碳弧焊、焊條手工焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊、等離子焊等。它們各有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，必須根據(jù)銅及銅合金的種類(lèi)、焊件厚度、產(chǎn)品構(gòu)造形狀、生產(chǎn)條件、對(duì)焊接生產(chǎn)率、接頭質(zhì)量規(guī)定等加以選擇。四、銅和銅合金的焊接材料選擇銅及銅合金的焊接材料，重要指填充焊絲、焊條及焊粉。1.填充焊絲在氣焊、碳弧焊、鎢極氬弧焊時(shí)，需要手工添加填充焊絲。焊絲是按化學(xué)成分分類(lèi)的，多個(gè)焊絲的編制方式是以“絲”字拼音的第一種字母“S”為牌號(hào)，“S”字背面用化學(xué)元素符號(hào)表達(dá)焊絲的重要成分，化學(xué)符號(hào)背面的數(shù)字表達(dá)次序號(hào)。國(guó)產(chǎn)銅及銅合金焊絲的牌號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1銅及銅合金焊絲牌號(hào)重要成分、性能及用途2.焊粉在氣焊、碳弧焊時(shí)，熔池金屬的表面容易氧化生成Cu2O，由于氧化亞銅的存在，往往引發(fā)焊縫氣孔、裂紋、夾渣等缺點(diǎn)。向焊縫熔池導(dǎo)入銅焊粉后，由銅焊粉中的化合物與氧化亞銅反映，促使氧化亞銅還原成易熔的液體熔渣，它浮于熔池及熱影響區(qū)表面，以避免焊縫金屬免受氧化。上一頁(yè)下一頁(yè)慣用銅焊粉的牌號(hào)是氣劑301，焊縫的構(gòu)成為硼酸76～79%、硼砂16.5～18.5%、磷酸鋁4～5.5%，熔點(diǎn)650℃。鋁青銅氣焊、碳弧焊時(shí)可采用氣劑401，其熔點(diǎn)為560℃。氣劑401呈堿性反映，能有效破壞Al2O3薄膜，但該焊粉吸濕、潮解性強(qiáng)，容易引發(fā)接頭腐蝕，因此在焊后必須將焊縫表面及其兩側(cè)的熔渣、殘留的焊粉徹底清洗干凈。3.焊條銅焊條分為紫銅、青銅兩類(lèi)，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是青銅焊條。青銅焊條除了能夠用來(lái)焊接多個(gè)青銅、黃銅外，還能夠用來(lái)堆焊軸承等承受金屬間摩擦、磨損和耐海水腐蝕的零件，以及容易產(chǎn)生裂縫的鑄鐵件的焊補(bǔ)等。銅107為紫銅焊條。這種焊條對(duì)大氣及海水等介質(zhì)含有良好的耐腐蝕性，慣用于脫氧紫銅及無(wú)氧紫銅的焊接。青銅焊條的種類(lèi)有銅207、銅227、銅237等。銅207是焊接硅青銅用的焊條，也可用以焊接黃銅，其強(qiáng)度、耐腐蝕性及耐磨性均比銅107好，但在350℃以上的溫度下，有熱脆性傾向，容易引發(fā)焊縫裂紋。銅227是比較通用的一種銅焊條，它可用于磷青銅、黃銅等材料的焊接，又可用于耐腐蝕、耐磨工件（如磷青銅軸襯、船舶螺旋槳葉片等）的堆焊。銅237可用于焊接鋁青銅，用這種焊條焊材的焊縫中合金元素含量高，能夠說(shuō)是強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性最高的一種銅焊條。其焊條的通用性也比較大，重要用于銅合金制的多個(gè)化工機(jī)械、海水散熱器、閥門(mén)的焊接，水泵、氣缸堆焊及船舶螺旋槳的修補(bǔ)上。銅307可用于焊接鎳青銅，它含有良好的耐熱、耐腐蝕性能，慣用于熱交換器、鍋爐及化工設(shè)備等產(chǎn)品的焊接、堆焊上。表2銅及銅合金焊條的牌號(hào)及用途五、紫銅的焊接1.紫銅的氣焊紫銅氣焊的接頭形式以對(duì)接為最佳。因去除焊件縫隙中的熔渣、殘留焊縫很困難，盡量不采用搭接、角接、T接。氣焊5mm以上厚度的紫銅板時(shí)要開(kāi)坡口。紫銅氣焊時(shí)，常采用SCu-1（絲202）、SCu-2（絲201）焊絲及銅焊粉。紫銅氣焊時(shí)要預(yù)熱，薄板、小尺寸焊件的預(yù)熱溫度為400～500℃，厚度、體積比較大的焊件，預(yù)熱溫度為600～700℃。紫銅氣焊時(shí)，常采用左焊法，這有助于避免金屬過(guò)熱和晶粒長(zhǎng)大的傾向；但是，當(dāng)焊件厚度不不大于6mm時(shí)，則采用右焊法。右焊法能以較高的溫度加熱紫銅焊件，另外便于觀察熔池、操作方便。紫銅氣焊時(shí)，采用比較快的速度單面、單層焊，即使比較厚的焊件，也不要采用過(guò)多的焊接層數(shù)，由于多次焊接加熱容易引發(fā)熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，且增大焊接變形量。焊接過(guò)程中偶然中斷時(shí)，焊槍?xiě)?yīng)緩慢地離開(kāi)熔池，避免焊縫忽然冷卻而產(chǎn)生裂縫、氣孔等缺點(diǎn)。為獲得細(xì)晶粒、高韌性的紫銅焊接接頭，焊后能夠?qū)ψ香~件進(jìn)行錘擊及局部、整體退火解決。殘留在焊縫表面及附近兩側(cè)的熔渣、焊粉會(huì)引發(fā)焊接接頭的腐蝕，因此要在焊后的3～6小時(shí)內(nèi)，認(rèn)真地清洗掉。2.紫銅的鎢極氬弧焊紫銅的鎢極氬弧焊操作靈活方便，焊接變形小，接頭質(zhì)量高，因此特別合用于中、薄板紫銅構(gòu)造的焊接。紫銅氬弧焊用的焊絲有SCu-2（絲201）、SCu-1（絲202）銅焊絲，SCuSi硅青銅焊絲，錫磷青銅絲（QSn4-0.3）。對(duì)于焊接質(zhì)量不高的產(chǎn)品，也可用不含脫氧元素的普通紫銅絲，但需添加氣劑301銅焊粉。在焊接前，先檢查設(shè)備狀況，再根據(jù)焊件厚度、噴嘴孔徑調(diào)節(jié)好氬氣流量、鎢極伸出長(zhǎng)度（普通在6～10mm之間）、焊接電流等參數(shù)，焊槍噴嘴與焊件距離約在8～15mm之間。焊炬與焊件的角度，應(yīng)便于觀察熔池及添加填充焊絲。平對(duì)接焊時(shí)，焊炬與焊件間的夾角為70～80°，角接焊時(shí)則為35～45°。焊絲與焊件間的夾角為10～20°。鎢極手工氬弧焊時(shí)，普通采用左向焊法。焊炬應(yīng)均勻、平穩(wěn)地向前做直線運(yùn)動(dòng)，并保持恒定的電弧長(zhǎng)度。在不添加焊絲的對(duì)