铜及铜合金的焊接

科技信息　高校理科研究　铜及铜合金硇焊接　邢台职业技术学院机电系　吕会敏　马雪芳　胡芸　［摘要］本文简要介绍了常用铜及铜合金的分类、焊接性，总结了焊接铜及铜合金常用的焊接方法。　［关键词］铜合金　焊接性　焊接方法　１．铜及铜合金的性能与分类简介　铜具有面心立方结构，具有非常好的加工成形性。密度为　８．９６ｇ／ｅａｒ３，约为铝的三倍。它的导热率和导电率略低于银，约为铝的１．５　倍。铜及铜合金从成分上分为紫铜，黄铜，青铜和白铜，实质上是纯铜，　铜一锌，铜一铝，铜一锡合金Ｉ　。　１．１纯铜　纯铜的含铜量不小于９９．５％，在工业中被广泛应用于制造电工器　件，电线，电缆，热交换器等。纯铜在退火状态下具有高的塑性，但强度　低。经冷加工变形后，强度可提高近一倍，但塑性降低几倍。焊接结构一　般采用软态即退火状态的紫铜。　１－２黄铜　黄铜原指铜和锌组成的二元合金，并因表面呈淡黄色而得名。黄铜　的倾向比低碳钢严重的多。铜中气孑Ｌ主要是溶解性气体氢直接引起的　扩散性气孔和氧化还原反应引起的反应气孑Ｌ，由于铜自身的性质使其　产生气孑Ｌ的倾向大为加剧，成为铜及其焊接的主要困难。在平衡状态　下，其氢的过饱和比钢焊缝大好几倍，在凝固结晶时形成氢气孔倾向　大；熔池中的Ｃｕ　Ｏ与氢或ＣＯ反应生成的水蒸气或ＣＯ　不溶于铜而促　使反应性气孑Ｌ的出现。　３．铜及铜合金焊接的常用焊接方法　３．１埋弧焊　埋弧焊的特点是电弧热效率高，对熔池的保护效果好，焊丝的熔化　系数大，又能采用大电流。因此它具有熔深大，生产率高，变形小等明显　优点日。焊接铜及铜合金时，２０ｒａｍ厚度下工件在不预热不开坡口的工艺　下就可获得优质接头，使焊接工艺大为简化。埋弧焊由于焊接热输入较　大，熔化金属多，焊接热场较大，为防止液体铜的流失和获得理想的反　面成形，无论单面焊还是双面焊，反面均采用各种形式的垫板。垫板与　铜板的接触面要吻合很好，需要专门机械加工。为了保持焊剂垫层有一　定透气性，以利于焊缝中气体的析出，又不对反面成形造成很大的压力　使焊缝底部向下凹，还要选择颗粒度稍大的焊剂作为垫剂层，而且焊剂　层应有一定的厚度，一般不小于３０ｍｍ。　３－２钎焊　具有比紫铜高得多的强度，硬度和耐腐蚀能力，并保持一定的塑性，又　能承受冷热加工。因而作为结构材料在工业中广泛应用。　１３白铜　白铜是铜和镍的合金，因镍的加入使铜由紫色逐渐变白而得名。镍　可以无限地固溶于铜，使铜具有单一的Ａ组织。白铜不仅具有较好的综　合力学性能，而且由于其导热性接近于碳钢而变得比较容易焊接，不需　要预热。但其含有的合金元素对于硫，磷杂质很敏感，易形成热裂纹。因　而焊接时要严格限制这些杂质的含量。　１．４青铜　青铜实际上是除了铜锌，铜镍合金以外所有铜基合金的统称，如锡　青铜，铝青铜，硅青铜等。青铜具有比紫铜，甚至比大部分黄铜高得多的　强度和耐磨性，并保持有一定的塑性。除铍青铜外，其他青铜的导热性　能比紫铜和黄铜降低几倍至几十倍，并且具有较窄的结晶区，因而大大　改善了焊接性。青铜广泛应用于铸件和加工制品。　２　同及其合金的焊接性分析　２．１难熔合及易变形　铜与铁的导热系数、线膨胀系数和收缩率见表一，２０￣Ｃ时铜的导热　系数比铁大７倍多，１０００％时大１　１倍多。焊接时热量迅速从加热区传　导出去，使母材与填充金属难以熔合。铜的线膨胀系数和收缩率也比较　大，如表铜的线膨胀系数比铁大１５％，而收缩率比铁大一倍以上。加上　铜及多数铜合金导热能力强，使焊接热影响区加宽，焊接时如加工工件　刚度不够，必然会产生较大的变形。　表１铜与铁的热物理参数　导热系数Ｗ／（ｍｋ）　线膨胀系数　金属　２０℃　Ｃｕ　Ｆｅ　３９３．６　５４．８　２０～１００℃　收缩率（％）　１０００　３２６．６　２９－３　（１０—　Ｋ　）　ｌ６．４　ｌ４．２　４．７　２．０　２．２热裂纹　氧是铜中经常存在的杂质，铜在焊接熔化状态时较容易氧化，而生　成Ｃｕ　Ｏ。Ｃｕ　Ｏ能与Ｃｕ形成（Ｃｕ＋Ｃｕ２０）的低熔点共晶。其共晶温度为　１０６５℃，低于铜的熔点（１０８３℃），使焊缝容易产生热裂纹。对于特别重　要的焊接结构件来说，其含氧量不应超过０．Ｏ１％，而ＰＩ１、Ｂｉ、Ｓ则是铜及　其合金中经常存在的有害杂质。磷事实上不溶解于铜，而与铜形成低熔　点共晶，析出于晶间。（Ｃｕ＋Ｂｉ）的共晶温度为２７０￣Ｃ。Ｐｂ能很微量溶于　铜，但Ｐｈ量稍增高的时候就与铜形成（Ｃｕ＋Ｐｂ）低熔点共晶，其共晶温度　为９５５℃。这些共晶严重降低了焊缝金属的抗热裂纹能力。研究结果显　示，铜及其合金中含Ｐｈ、Ｂｉ量较高时，就会出现裂纹，热影响区还会出　现液化裂纹，因此必须严格限制用于制造焊接结构的纯铜的含Ｐｈ量和　Ｂｉ量。ｓ能较好的溶解在熔化状态中的铜，但当凝固结晶时，其在固态铜　中的溶解度几乎为零，硫与铜形成Ｃｕ：Ｓ。（Ｃｕ２Ｓ＋Ｃｕ）共晶温度为１０６７￣Ｃ，　低于铜的熔点，可使焊缝形成热裂纹，故焊缝中的含硫量也要严格的控　制。纯铜焊接时，其焊缝为单相组织，且由于纯铜导热性强，焊缝易生长　成粗大晶粒。这些都是加剧热裂纹生成的因素。纯铜及黄铜的收缩率及　线膨胀系数大，焊接应力较大，也是促使热裂纹形成的原因。　２－３气孔　气孔是铜及铜合金焊接时的一个主要问题，尤其熔化焊时，其出现　铜及铜合金具有优良的钎焊性，无论是硬钎料还是软钎料都容易　实现。因为铜及铜合金有着良好的润湿性，表面的氧化膜也容易去除　。　只有部分含铝的铜合金由于表面形成Ａｌ　膜较难去除，钎焊较困难。　铜及铜合金多采用氧一乙炔火焰，但接头的间隙较宽，钎料是靠熔敷机　理分布，而不是靠毛细管机理分布的。　３．３钨极氩弧焊（ＴＩＧ）　用钨极氩弧焊（ＴＩＧ）焊接铜及铜合金时，具有电弧稳定、能量集中、　保护效果好、热影响区窄、操作灵活等突出的优点。是目前铜及铜合金　焊接手法中应用最广泛的一种，特别适合中，薄板和小件的焊接和补　焊。大部分铜及铜合金ＴＩＧ焊时对工件有预热要求。在焊接紫铜或高导　热率铜合金工件时，不允许预热或要求较大熔深时，可以使用氮气或氦　气作为保护气体。但铜在氮气中进行焊接，其熔池金属流动性差，焊缝　易生气孔。氦气密度较小，焊接时消耗气体量增加１～２倍，成本过高。　３．４熔化极氩弧焊（ＭＩＧ）　与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊（ＭＩＧ）可以选用更大的焊接电　流。因而电弧功率更大，熔化效率高，熔深大，焊速快，接头质量好，是焊　接中、厚度铜及铜合金的理想方法。ＭＩＧ焊的穿透力较强。采用大功率　焊速的规范参数，可以提高焊接效率。由于熔池的增大，保护气的流量　相应也成倍增加。与ＴＩＧ焊相比，焊接同样厚度的铜件，焊接电流增加　３０％左右，焊速可提高一倍。大电流有利于电弧的稳定，高速焊接时避　免一些铜合金的热脆性和近缝区晶粒长大都有好处。ＭＩＧ焊接规范中　最重要的是电流密度的选择，它决定着熔滴的过渡形式，而后者又是电　弧稳定和焊缝成形的决定因素。　３．５等离子弧焊　等离子弧具有比ＴＩＧ和ＭＩＧ焊更高的能量密度和温度，很适合于　焊接高导热系数和对过热敏感的铜及铜合金。等离子弧是一种经压缩　后的电弧，能量密度高度增加，焊接热影响区较小。６～８ｍｍ厚的铜件可　以不预热不开坡口一次焊成，接头质量可以达到母材水平。等离子弧束　很细，能量密度集中，焊前对工件边缘的加工精度、工件的装配精度、薄　件的夹具精度等都有很高的要求。等离子弧的稳定性很差，对焊接工艺　参数的变化很敏感，而且焊接规范参数很多，因此其获得稳定的焊接质　量规范参数的选择范围很窄。　４．结束语　本文对铜及铜合金的性能、分类及应用进行介绍，同时对铜及铜合　金的焊接性及在焊接过程中容易出现的缺陷进行了分析，并且对常用　的铜及铜合金的常用焊接方法进行了总结。　参考文献　［１］孙学强机械制造基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８　［２］袁焕中．电弧焊及电渣焊［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．　［３］杨瑞鹏，李培祖铜铝直接钎焊技术［Ｊ］．焊接技术，１９９９，２８（５）　４—５