摘要:目前對銅及銅合金焊接性的系統(tǒng)研究很少,經過長期對銅及銅合金的焊接性研究以及查閱有關資料,簡要介紹了銅及銅合金的分類、性質;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。實踐證明:焊接方法和工藝選擇得當,焊接材料選擇合理,在焊接過程中易出現的缺陷是完全可以避免的。

關鍵詞:銅;銅合金;焊接性;工藝

文獻標識碼: B

長期以來,銅及銅合金的焊接主要是應用釬焊、氣焊、電弧焊、惰性氣體保護焊、埋弧焊、擴散焊等方法。近年來,隨著焊接技術的發(fā)展,又采用了電子束、激光、等離子弧等高能量熱源進行焊接,取得了很好的效果。本文就銅及銅合金的焊接性、焊接過程中易出現的問題及解決措施進行了敘述。

1.銅及銅合金的種類及性質

1.1銅為面心立方晶格,具有較多的形變滑移系,室溫、高溫變形能力很好,退火狀態(tài)的銅,不經中間退火可壓縮85%～ 95%而不產生裂紋。但純銅在500～ 600℃呈現“中溫脆性”。在焊接過程中,易在此溫度區(qū)間發(fā)生裂紋。據研究,“中溫脆性”和雜質的性質、含量、分布、固溶度等有關。銅可分為無氧銅和含有少量氧的純銅。純銅的導電性能好,常用于導電材料,但是存在Cu2O-Cu的低熔點共晶物,焊接時易出現裂紋。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,常用于焊接結構。

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T、

U、V、W、X、Z六個相,其中T相是以銅為基的固溶體,其晶格常數隨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***大值后, Zn在銅中溶解度隨溫度的降低而減少。T固溶體具有良好的塑性,可進行冷熱加工,并有良好的焊接性能。

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、力學性能和耐蝕性,彈性和焊接性能都很好,且線收縮系數小。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,中等強度,塑性高,能進行冷熱壓力加工,還有很好的電學性能,除用作結構材料外,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構白銅和電工白銅。結構白銅具有很好的耐蝕性,優(yōu)良的力學性能和壓力加工性能,焊接性好,主要用來制造冷凝管、蒸發(fā)器、熱交換器和各種高強度的耐蝕件等。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。

2.焊接性分析

2.1銅及銅合金的焊接

2.1.1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,雜質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,它們均不溶于固態(tài)銅,微量的Pb形成低熔點共晶組織(Cu+ Pb),其共晶溫度為326℃ ; Bi與Cu也形成低熔點共晶組織(Cu+ Bi),其共晶溫度為270℃ ,這些共晶體***后結

晶,集中在晶界上,會使銅產生脆性,在焊接過程中形成裂紋,

因此,應***Bi、 Pb在銅中的含量, Bi <0.002% , Pb<0.005%。

(2) P的熔點為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電性和導熱性,但對銅的力學性能有良好的影響,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的存在使銅的熔點降低,形成Cu2 S脆性化合物,使銅的塑性降低,當S含量>0.1%時,銅就會有熱脆性,焊接時熱狀態(tài)就產生裂紋。

(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,其熔點是1 066℃ ,共晶體比銅后凝固,分布在晶體的晶界,這就降低了銅的塑性和耐腐蝕性,也使其焊接性變差。

銅有較高的導熱性(比低碳鋼導熱系數大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,它的結晶組織變?yōu)榇执?相互間連接能力降低。

銅在焊接時易出現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)間擴大的雜質,如Pb、 Bi、 P、 As等。所以,即使雜質含量很少,也十分容易產生熱裂紋。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,氫就會向銅中擴散,發(fā)生如下反應:

u2O+ H2 2Cu+ H2O

所形成的H2O,以氣體形態(tài)聚集于晶界,造成氫侵蝕裂紋。

***后是氣孔,氣孔是由以下反應形成的:

2H(a)+ O(a) H2O(g)　 　 (1)

2H(a) H2(g) (2)

式中(a)為原子態(tài), (g)為氣態(tài)。

由反應(1)生成的H2O,不溶解于銅中,在銅的凝固過程中,來不及逸出而形成氣孔,同理由反應(2)生成的H2,也會形成氫氣孔。防止氣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)生設備,使電磁作用于熔池,攪拌熔池,使氣體逸出。

2.1.2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)而容易產生多氣孔的焊縫。在焊接錫青銅時,當溫度升高, 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,因此在焊接時應加入一定量的脫氧劑。鋁青銅焊接時, Al和O2反應生成難熔的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的熔點為1 450℃ ,沸點3 075℃ ,并具有加熱到700～ 800℃時仍不氧化的性能,因此,在焊接

白銅的過程中,主要應防止Cu的蒸發(fā)和防止O2、S、C的破壞作用。

銅合金的焊接,***主要的問題是裂紋。與銅一樣,由于雜質在晶界析出,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T單相的焊縫組織,裂紋敏感性比較高,特別是多層焊時,前一層易出現裂紋。如果提高Al的含量,就會形成T+U的雙相組織,可以抑制裂紋的出現,但是Al的含量過高,會在U相中析出V2硬質相,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V2硬質相的析出。

Cu和Ni無限互溶,因此焊縫組織是粗大的T單相固溶體,由于受雜質元素的影響,固、液相區(qū)間擴大,晶界析出低熔點共晶物,在焊接應力的作用下,易形成裂紋。多層焊時裂紋敏感性更大,應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、導熱系數、線脹系數差異較大,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X相,其它情況為T+X相組織,所以銅和鋼焊接時,在熔合線

附近靠銅一側為T+X組織。鋼與銅、銅合金焊接時,主要問題是易出現熱裂紋、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共晶體、組織狀態(tài)以及焊接應力造成的。

鋼和銅中都含有雜質,在焊接過程中能形成各種=低熔點共晶體和脆性化合物,容易產生偏析。焊接低碳鋼和銅、銅合金時,焊縫中易形成FeS (熔點為1 189℃ )、 FeP (熔點為1 050℃ )和(Fe+ FeS)共晶體(共晶溫度為985℃ )。再加上銅中的一些低熔點共晶體,這些化合物和低熔點共晶體偏析于晶界,嚴重地削弱了金屬在高溫時的晶間結合力,焊縫易產生熱裂紋。

焊縫中Fe含量對熱裂紋的影響也很大。當Fe含量達0.2%～ 1.1%時,焊縫金屬呈T單相組織,抗熱裂紋能力降低,當Fe含量加大時,焊縫變?yōu)門+X雙相組織,抗熱裂紋能力提高,當Fe含量為10%～ 43%時,抗

熱裂紋能力***好。

(2) Fe的稀釋侵入裂紋

文獻[3]認為,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)產生滲透裂紋的主要原因是液態(tài)銅對鋼的滲透和拉應力共同作用而形成的。文獻[4]認為,在結晶過程中,金屬組織往往存在缺陷,因此在鋼的結晶表面上,就會產生微觀裂口,這時處于液態(tài)的銅,容易侵潤微觀裂口表面,并在毛細管效應的作用下,侵入微觀裂口中。侵入鋼中的銅或銅合金液體,對微觀裂口壁能產生一個附加壓力,其壓力值可達24.5 MPa,這樣,在拉應力的共同作用下,近縫區(qū)就產生了熱裂紋。

文獻[5]認為,在銅基釬料高溫釬焊不銹鋼時出現的滲透裂紋,是由于富銅的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.銅及銅合金的焊接工藝

3.1銅及銅合金的焊接

3.1.1銅

接過程中,***重要的是預熱、保溫,并采用較快的焊接速度,這樣才能使焊縫金屬很快達到熔化溫度,晶粒不會長得過大。特別是在焊厚板時,預熱溫度必須達到400～ 500℃ 。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、 S等雜質。采用惰性氣體保護焊時,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,保護氣體用N2時預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,***次焊易出現缺陷,再焊一次時則焊道成形良好。

3.1.2銅合金

(1)黃銅

為了減少Zn的蒸發(fā),焊接時應盡可能地采用快速焊,這就需要加大焊接線能量,因此,焊前***好先預熱,預熱溫度為200～ 250℃ 。盡可能不補焊或在反面焊接,因為再次加熱會使黃銅中的Zn加劇蒸發(fā),晶粒增大,易出現裂紋。

(2)青銅

青銅在加熱狀態(tài)下脆性大,焊接時應防止沖擊和震動。鋁青銅焊接時, Al和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。

(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量。因B30、B10都存在中溫脆性,因此拘束度大的焊縫易出現裂紋,應盡可能的采用小的焊接線能量,以使晶粒細小,提高焊接質量。

3.2　鋼和銅、銅合金的焊接

鋼和銅、銅合金的焊接主要采用埋弧焊、釬焊、惰性氣體保護焊。

鋁青銅與鋼焊接時,由于鋁青銅導熱系數小,因此需要預熱,一般為100～ 200℃ 。而銅鎳合金則不用預熱,因鋼與銅鎳合金的導熱系數相近。焊接時要注意選擇正確的焊絲,用于防止?jié)B透裂紋和鐵稀釋侵入裂紋。因此,一般采用熔深淺的TIG焊。

工程上,在鋼的表面上堆焊B30、B10的情況經較多,一般采用TIG焊、帶極埋弧焊,***好是采用等離子弧堆焊,因稀釋率***小可達2%。焊接時多采用純鎳或蒙乃爾合金作過渡層,然后再焊工作層,效果比較好。

否則易出現裂紋,特別是Fe的稀釋侵入對裂紋的影響比較明顯。因此,采用稀釋率比較低的等離子弧堆焊就可以不要過渡層,如果工藝選擇合理,材料選擇得當,堆焊質量很好。

來源：中國知網   作者：季杰