发布时间：2021-05-28点击：4454
摘要:目前对铜及铜合金焊接性的系统研究很少,经过长期对铜及铜合金的焊接性研究以及查阅有关资料,简要介绍了铜及铜合金的分类、性质;分析了铜及铜合金的焊接性、钢与铜及铜合金的焊接性以及在焊接过程中易出缺陷(气孔、裂纹)的原因和解决措施;探讨了铜及铜合金、钢与铜及铜合金的焊接工艺。。。。。 。实践证明:焊接方法和工艺选择得当,焊接材料选择合理,在焊接过程中易出现的缺陷是完全可以避免的。。。。。 。
关键词:铜;铜合金;焊接性;工艺
文献标识码: B
长期以来,铜及铜合金的焊接主要是应用钎焊、气焊、电弧焊、惰性气体保�；；；；ず浮⒙窕『浮⒗┥⒑傅确椒ā！�。。。 。近年来,随着焊接技术的发展,又采用了电子束、激光、等离子弧等高能量热源进行焊接,取得了很好的效果。。。。。 。本文就铜及铜合金的焊接性、焊接过程中易出现的问题及解决措施进行了叙述。。。。。 。
1.铜及铜合金的种类及性质
1.1铜为面心立方晶格,具有较多的形变滑移系,室温、高温变形能力很好,退火状态的铜,不经中间退火可压缩85%～ 95%而不产生裂纹。。。。。 。但纯铜在500～ 600℃呈现“中温脆性”。。。。。 。在焊接过程中,易在此温度区间发生裂纹。。。。。 。据研究,“中温脆性”和杂质的性质、含量、分布、固溶度等有关。。。。。 。铜可分为无氧铜和含有少量氧的纯铜。。。。。 。纯铜的导电性能好,常用于导电材料,但是存在Cu2O-Cu的低熔点共晶物,焊接时易出现裂纹。。。。。 。无氧铜又可分为用P、Mn脱氧的脱氧铜和无氧铜,由于其焊接性好,常用于焊接结构。。。。。 。
1.2铜合金
1.2.1黄铜
黄铜是Cu-Zn合金,根据Zn的含量不同又可分为很多种,为了改变黄铜的性能,也可以加入其它元素,如Al、Ni、Mn等。。。。。 。从而形成了铝黄铜、镍黄铜、锰黄铜等。。。。。 。由Cu-Zn二元系相图可知,黄铜固态下有T、
U、V、W、X、Z六个相,其中T相是以铜为基的固溶体,其晶格常数随Zn含量的增加而增大。。。。。 。 Zn在铜中的溶解度与一般合金相反,随温度降低而增加,在456℃时固溶度达***大值后, Zn在铜中溶解度随温度的降低而减少。。。。。 。T固溶体具有良好的塑性,可进行冷热加工,并有良好的焊接性能。。。。。 。
1.2.2青铜
青铜是Cu与Sn、Al、Si等元素的合金。。。。。 。按成分可分为锡青铜、铝青铜、硅青铜等。。。。。 。青铜具有较高的耐磨性、力学性能和耐蚀性,弹性和焊接性能都很好,且线收缩系数小。。。。。 。青铜广泛用于铸件和加工制品。。。。。 。
1.2.3白铜
白铜是铜镍合金,颜色呈银色或淡灰白色。。。。。 。白铜具有耐热和耐寒的性能,中等强度,塑性高,能进行冷热压力加工,还有很好的电学性能,除用作结构材料外,还是重要的高电阻和热电偶合金。。。。。 。所以,白铜按其用途可分为结构白铜和电工白铜。。。。。 。结构白铜具有很好的耐蚀性,优良的力学性能和压力加工性能,焊接性好,主要用来制造冷凝管、蒸发器、热交换器和各种高强度的耐蚀件等。。。。。 。另外,白铜中也可加入其它元素,形成铁白铜、锌白铜、铝白铜、锰白铜等。。。。。 。
2.焊接性分析
2.1铜及铜合金的焊接
2.1.1铜
普通工程中所用的铜,其含量一般在99.95%以上,其余是杂质,杂质的存在对铜的焊接性有很大的影响。。。。。 。
(1) Bi与Pb是铜中的主要杂质,它们均不溶于固态铜,微量的Pb形成低熔点共晶组织(Cu+ Pb),其共晶温度为326℃ ; Bi与Cu也形成低熔点共晶组织(Cu+ Bi),其共晶温度为270℃ ,这些共晶体***后结
晶,集中在晶界上,会使铜产生脆性,在焊接过程中形成裂纹,
因此,应***Bi、 Pb在铜中的含量, Bi <0.002% , Pb<0.005%。。。。。 。
(2) P的熔点为44℃ ,在700℃时P在铜中的溶解度为1.75% ,而在200℃时的溶解度则仅为0.4% ,温度下降, P在铜中的溶解度也下降。。。。。 。它能显著降低铜的导电性和导热性,但对铜的力学性能有良好的影响,焊接时可作为还原剂,但含量过多,会使焊缝金属产生气孔和裂纹。。。。。 。
(3) S能溶解在熔融的铜中, S的存在使铜的熔点降低,形成Cu2 S脆性化合物,使铜的塑性降低,当S含量>0.1%时,铜就会有热脆性,焊接时热状态就产生裂纹。。。。。 。
(4)氧很少固溶于铜,与铜生成Cu2O,由Cu-O2相图可知,含氧铜冷凝时,氧呈共晶体(Cu+ Cu2O)析出,分布在晶界上,其熔点是1 066℃ ,共晶体比铜后凝固,分布在晶体的晶界,这就降低了铜的塑性和耐腐蚀性,也使其焊接性变差。。。。。 。
铜有较高的导热性(比低碳钢导热系数大8倍),若加热温度不高,即使长时间加热也不易使Cu熔化。。。。。 。而随温度的升高,它的结晶组织变为粗大,相互间连接能力降低。。。。。 。
铜在焊接时易出现的缺陷主要有裂纹和气孔。。。。。 。首先是热裂纹和氢侵蚀裂纹。。。。。 。由于铜中含有一定量的使铜的固-液区间扩大的杂质,如Pb、 Bi、 P、 As等。。。。。 。所以,即使杂质含量很少,也十分容易产生热裂纹。。。。。 。其次
是氢的侵蚀裂纹,由于铜中含有一定量的氧,焊接过程中,氢就会向铜中扩散,发生如下反应:
u2O+ H2 2Cu+ H2O
所形成的H2O,以气体形态聚集于晶界,造成氢侵蚀裂纹。。。。。 。
***后是气孔,气孔是由以下反应形成的:
2H(a)+ O(a) H2O(g) (1)
2H(a) H2(g) (2)
式中(a)为原子态, (g)为气态。。。。。 。
由反应(1)生成的H2O,不溶解于铜中,在铜的凝固过程中,来不及逸出而形成气孔,同理由反应(2)生成的H2,也会形成氢气孔。。。。。 。防止气孔的措施主要是在焊接材料中加入一定量的脱氧剂,提高焊前预热温度,减缓熔池的冷却速度,以使H2、H2O能有时间逸出,另外还可以在焊枪上加电磁发生设备,使电磁作用于熔池,搅拌熔池,使气体逸出。。。。。 。
2.1.2铜合金
黄铜在焊接时的主要困难是铜合金中Zn的蒸发(Zn在906℃时蒸发),由于Zn的蒸发而容易产生多气孔的焊缝。。。。。 。在焊接锡青铜时,当温度升高, Sn极易蒸发或氧化成SnO2,在焊缝金属中很难除去,于是形成气孔和夹杂物,因此在焊接时应加入一定量的脱氧剂。。。。。 。铝青铜焊接时, Al和O2反应生成难熔的Al2O3,为了清除Al2O3,可采用铝合金焊接时的还原剂。。。。。 。Ni是白铜的主要成分, Ni的熔点为1 450℃ ,沸点3 075℃ ,并具有加热到700～ 800℃时仍不氧化的性能,因此,在焊接
白铜的过程中,主要应防止Cu的蒸发和防止O2、S、C的破坏作用。。。。。 。
铜合金的焊接,***主要的问题是裂纹。。。。。 。与铜一样,由于杂质在晶界析出,铜合金也十分容易形成裂纹。。。。。 。在铝青铜中,由于含Al量比较低,所以形成了T单相的焊缝组织,裂纹敏感性比较高,特别是多层焊时,前一层易出现裂纹。。。。。 。如果提高Al的含量,就会形成T+U的双相组织,可以抑制裂纹的出现,但是Al的含量过高,会在U相中析出V2硬质相,又会使裂纹敏感性增大,所以, Al的含量以7%～ 11%为宜,且要加入一定量的Ni、 Fe、 Mn来抑制V2硬质相的析出。。。。。 。
Cu和Ni无限互溶,因此焊缝组织是粗大的T单相固溶体,由于受杂质元素的影响,固、液相区间扩大,晶界析出低熔点共晶物,在焊接应力的作用下,易形成裂纹。。。。。 。多层焊时裂纹敏感性更大,应避免使用过大的焊接线能量。。。。。 。
2.2钢和铜、铜合金的焊接
Fe与Cu的熔点、导热系数、线胀系数差异较大,这对钢与铜的焊接是不利的。。。。。 。由Fe和Cu的二元合金相图可知: Fe<0.3%时为相,Fe<0.2%时为X相,其它情况为T+X相组织,所以铜和钢焊接时,在熔合线
附近靠铜一侧为T+X组织。。。。。 。钢与铜、铜合金焊接时,主要问题是易出现热裂纹、铁稀释侵入裂纹及渗透裂纹,而气孔倾向比较小。。。。。 。
(1)热裂纹主要是由焊缝中的低熔点共晶体、组织状态以及焊接应力造成的。。。。。 。
钢和铜中都含有杂质,在焊接过程中能形成各种=低熔点共晶体和脆性化合物,容易产生偏析。。。。。 。焊接低碳钢和铜、铜合金时,焊缝中易形成FeS (熔点为1 189℃ )、 FeP (熔点为1 050℃ )和(Fe+ FeS)共晶体(共晶温度为985℃ )。。。。。 。再加上铜中的一些低熔点共晶体,这些化合物和低熔点共晶体偏析于晶界,严重地削弱了金属在高温时的晶间结合力,焊缝易产生热裂纹。。。。。 。
焊缝中Fe含量对热裂纹的影响也很大。。。。。 。当Fe含量达0.2%～ 1.1%时,焊缝金属呈T单相组织,抗热裂纹能力降低,当Fe含量加大时,焊缝变为T+X双相组织,抗热裂纹能力提高,当Fe含量为10%～ 43%时,抗
热裂纹能力***好。。。。。 。
(2) Fe的稀释侵入裂纹
文献[3]认为,在固态下, Fe和Cu几乎不固溶,由于钢的稀释而使Fe侵入焊缝,偏析于晶界。。。。。 。和Fe同时熔入焊缝的C浓缩于Fe中,形成含C较高的Fe的脆性化合物Fe3C,这种Fe的析出相硬而易偏析,降低
了焊缝的韧性及抗裂纹能力。。。。。 。
(3)铜的晶界渗透裂纹
在钢表面堆焊铜及铜合金时,近缝区产生渗透裂纹的主要原因是液态铜对钢的渗透和拉应力共同作用而形成的。。。。。 。文献[4]认为,在结晶过程中,金属组织往往存在缺陷,因此在钢的结晶表面上,就会产生微观裂口,这时处于液态的铜,容易侵润微观裂口表面,并在毛细管效应的作用下,侵入微观裂口中。。。。。 。侵入钢中的铜或铜合金液体,对微观裂口壁能产生一个附加压力,其压力值可达24.5 MPa,这样,在拉应力的共同作用下,近缝区就产生了热裂纹。。。。。 。
文献[5]认为,在铜基钎料高温钎焊不锈钢时出现的渗透裂纹,是由于富铜的Cu-Mn液相在钎焊表面的润湿铺展是三维的,而Mn的蒸发及向基体金属体积扩散起到了“清道夫”和改善钎焊表面的作用,为润湿
铺展创造了良好的条件。。。。。 。
3.铜及铜合金的焊接工艺
3.1铜及铜合金的焊接
3.1.1铜
接过程中,***重要的是预热、保温,并采用较快的焊接速度,这样才能使焊缝金属很快达到熔化温度,晶粒不会长得过大。。。。。 。特别是在焊厚板时,预热温度必须达到400～ 500℃ 。。。。。 。另外,还要在焊接过程中加入一些脱氧还原剂,以便于清除焊缝中的O2、 H2、 S等杂质。。。。。 。采用惰性气体保�；；；；ず甘�,使用不同的气体,得到熔深也不同,用双原子气体N2比Ar的熔深大,因此,保�；；；；て逵肗2时预热温度可以降低一些。。。。。 。一般在焊丝中加入一定量的Si比较好。。。。。 。用激光、等离子弧、电子束焊接则比较好,用电子束熔焊脱氧铜时,***次焊易出现缺陷,再焊一次时则焊道成形良好。。。。。 。
3.1.2铜合金
(1)黄铜
为了减少Zn的蒸发,焊接时应尽可能地采用快速焊,这就需要加大焊接线能量,因此,焊前***好先预热,预热温度为200～ 250℃ 。。。。。 。尽可能不补焊或在反面焊接,因为再次加热会使黄铜中的Zn加剧蒸发,晶粒增大,易出现裂纹。。。。。 。
(2)青铜
青铜在加热状态下脆性大,焊接时应防止冲击和震动。。。。。 。铝青铜焊接时, Al和O2化合成难熔的Al2O3,为了清除Al2O3可以采用铝合金焊接时的还原剂。。。。。 。硅青铜焊接时, Si和O2化合成SiO2,形成薄膜,可以减少其它合金成分的蒸发,具有很好的焊接性。。。。。 。
(3)白铜
白铜的流动性能比较好,焊接时也要依靠加入还原剂和采用较快的焊接速度,以保证焊接接头的质量。。。。。 。因B30、B10都存在中温脆性,因此拘束度大的焊缝易出现裂纹,应尽可能的采用小的焊接线能量,以使晶粒细小,提高焊接质量。。。。。 。
3.2 钢和铜、铜合金的焊接
钢和铜、铜合金的焊接主要采用埋弧焊、钎焊、惰性气体保�；；；；ず浮！�。。。 。
铝青铜与钢焊接时,由于铝青铜导热系数小,因此需要预热,一般为100～ 200℃ 。。。。。 。而铜镍合金则不用预热,因钢与铜镍合金的导热系数相近。。。。。 。焊接时要注意选择正确的焊丝,用于防止渗透裂纹和铁稀释侵入裂纹。。。。。 。因此,一般采用熔深浅的TIG焊。。。。。 。
工程上,在钢的表面上堆焊B30、B10的情况经较多,一般采用TIG焊、带极埋弧焊,***好是采用等离子弧堆焊,因稀释率***小可达2%。。。。。 。焊接时多采用纯镍或蒙乃尔合金作过渡层,然后再焊工作层,效果比较好。。。。。 。
否则易出现裂纹,特别是Fe的稀释侵入对裂纹的影响比较明显。。。。。 。因此,采用稀释率比较低的等离子弧堆焊就可以不要过渡层,如果工艺选择合理,材料选择得当,堆焊质量很好。。。。。 。
来源：中国知网 作者：季杰
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