铜及铜合金的焊接

1、铜与铜合金的焊接综述摘要：目前对铜及铜合金焊接性的系统研究很少,经过查阅有关资料,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。关键词：铜；铜合金；焊接性；铜及其合金具有优良的导电、导热性能、耐腐蚀性能和良好的加工成形性能,某些铜合金还兼有较高的强度,因而在电气、电子、化工、食品、动力以及交通等工业部门均得到了广泛的应用。1铜及其合金焊接因其选用的材料品种和结构形式的不同,因此在加工生产过程中采用了目前工业中主要的熔焊、压焊和钎焊方法。2常规的焊接方法在熔化焊

2、接铜及大多数铜合金时容易出现基材难于熔合、坡口焊不透和表面成形差等外观缺陷,并存在焊缝及热影响区热裂倾向大、气孔倾向严重等问题。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。铜及铜合金具有良好的导热性和很强的氧化性;由于铜及铜合金本身熔点低,而焊接时产生的金属氧化物的熔点很高,这些难熔的氧化物会降低焊缝金属的致密性和强度,同时还会产生气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷,因此给焊接带来许多困难。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

3、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500600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 铜合金铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。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

4、铜、镍黄铜、锰黄铜等。由Cu-Zn二元系相图可知,黄铜固态下有、六个相,其中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时固溶度达最大值后, Zn在铜中溶解度随温度的降低而减少。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。黄铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及良好的加工成形性能，在兵器、电子、化工及航空航天工业中得到广泛的应用。在黄铜的加工工艺中，焊接成为必不可少的加工技术。目前，黄铜的焊接主要采用气焊、手工电弧焊和氩弧焊等方法，但这些方法存在许多问题：一是由于黄铜的高导热率，铜材很难熔化，填充金属

5、和母材不能很好地熔合；二是焊接接头的热裂倾向大；三是易于产生气孔缺陷；四是焊接接头性能较差。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

6、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。22 焊接性分析2.1 铜及铜合金的焊接 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,这些共晶体最后结晶,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,应限制Bi、Pb在铜中的含量, Bi<0.002%, Pb<0

7、.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Cu2S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1066,共晶体比铜后凝固,分布在

8、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:Cu2O+H22Cu+H2O所形成的H2O,以气体形态聚集于晶界,造成氢侵蚀裂纹。生成的H2,也会形成氢气孔。防止气

9、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。 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3075,

10、并具有加热到700800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,最主要的问题是裂纹。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+的双相组织,可以抑制裂纹的出现,但是Al的含量过高,会在相中析出2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2硬质相的析出。Cu和Ni无限互溶,因此焊缝组织是粗大的单相固溶体,由于受杂质元素的

11、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%时为相,其它情况为+相组织,所以铜和钢焊接时,在熔合线附近靠铜一侧为+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

12、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1189)、FeP (熔点为1050)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,焊缝金属呈单相组织,抗热裂纹能力降低,当Fe含量加大时,焊缝变为+双相组织,抗热裂纹能力提高,当Fe含量为10%43%时,抗热裂纹能力最好。(2) Fe的稀释侵入裂纹。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

13、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。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。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

14、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铜及铜合金在焊接时出现的主要问题、原因及其防止措施3.1 出现的主要问题（1）焊接紫铜及某些铜合金时,如果采用与低碳钢相同的焊接规范,则会产生难熔合的现象。（2）焊接结构或工件焊后易产生较大的变形。（3）焊缝及熔合区常产生大量气孔。（4）焊缝及热影响区易产生裂纹。（5）焊接接头的机械性能一般低于母材,尤其是塑性和韧性的降低更为显著。焊接接头的耐腐蚀性能也有所下降。3.2产生上述问题的原因（1）铜及铜合金的导热性强,与低碳钢相比,紫铜导热系数约大八倍。

15、因此焊接时除需采用功率较大的热源外,厚度大的工件还必须预热。（2）铜及铜合金的线膨胀系数几乎比低碳钢大50%以上。由液态转变为固态时的收缩率也较大,因此焊后易产生变形。（3）紫铜及某些合金,在高温下强度及塑性降低、焊接时也是在近缝区形成裂纹。（4）产生气孔的原因有两个:一方面是铜及铜合金在液态时能溶解较多的氢,而在凝固和冷却过程中,氢在铜中的溶解度大大降低,氢来不及逸出便要形成气孔。另一方面是熔池中溶解的氢与熔池中的氧化亚铜反应.所生成的水蒸气不溶于铜液中,在焊缝凝固时,如果未能及时逸出,便会形成气孔。（5）铜及铜合金在常温时不易被氧化。但是焊缝结晶时,氧化亚铜和铜形成低熔点(1064)共晶体

16、,分布在铜的晶界上,大大降低了焊接接头的机械性能,所以,铜及合金的焊接接头性能一般低于焊件。23.3 防止措施（1）防止铜的氧化。焊接前彻底清理焊件坡口,去除铜及铜合金表面的氧化层及工件表面、焊接材料中吸附的水分,以减少氧的来源。另外从焊接方法的角度考虑,可以选择氩弧焊、埋弧焊等焊接方法来减少外界空气中氧气的侵入。焊接时同时要使用焊粉或焊剂。（2）防止氢的溶解。主要途径是去除焊接工件及焊接材料中吸附的水分,同时降低熔池。（3）防止合金元素的氧化与蒸发。从工艺角度考虑,要降低焊接温度,提高焊接速度,尽量减少熔池在高温区的停留时间。又如焊接锡青铜时,可以采用硅、磷等脱氧剂的焊丝和焊剂,防止锡的氧化

17、和蒸发等。3.4合理的焊接工艺措施。焊接时要加强对焊接熔池的保护,采取减少焊接应力的措施。同时要根据母材选择合适的焊接材料,严格控制焊接工艺参数,有必要时要作焊后热处理。24 铜及铜合金的焊接工艺随着国民经济的迅猛发展,对铜及其合金的焊接技术要求愈来愈高,焊接新工艺、新技术得到不断的推广。人们在大量的科研生产实践中取得了长足的进展。4.1 铜及铜合金的焊接4.1.1 铜焊接过程中,最重要的是预热、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400500。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

18、、S等杂质采用惰性气体保护焊时,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,保护气体用N2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,第一次焊易出现缺陷,再焊一次时则焊道成形良好。14.1.2 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,焊前最好先预热,预热温度为200250。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。1(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

19、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。1(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。5 钢和铜、铜合金的焊接铜和铜合金高的电导率和热导率对焊接性能影,响很大。如果采用的焊接规范与焊接同厚度的低碳钢差不多,则母材就很难熔化,填充金属与母材不能很好地熔合,产生焊不透现象,因此焊接时要采用大

20、功率的热源,通常在焊前或焊接过程中必须采取预热措施。55.1 钢与铜及铜合金熔焊时常产生的问题 （1）难熔合及易变形由于铜和大多数铜合金的热导率比普通碳钢大711倍,熔焊时大量的热从基材上散失,焊接区难以达到熔化温度,造成难熔合。又因铜的线胀系数及收缩率比铁大一倍以上,因此焊接时在无拘束条件下易变形。（2）热裂倾向大由于Cu及Cu合金中合金元素及有害杂质的作用,焊接时易形成低熔共晶体和脆性化合物,易产生偏析,使接头产生热裂纹。（3）气孔倾向严重钢与铜焊接时易出现气孔,其主要原因是过量的氢存在。（4） 接头性能下降在焊接过程中热作用之下,晶粒严重长大,杂质和合金元素的掺入,有用合金元素的氧化,各

21、种脆性的低熔共晶体出现于晶界,或产生脆性相,使接头的塑性、韧性、导电性、耐蚀性等显著下降。5.2 钢与铜及铜合金的熔化焊钢与铜及铜合金采用熔化焊时,经常发生铜渗到钢晶粒之间,产生热应力,使焊缝发生断裂。同时合金元素易烧损、易蒸发,且在焊缝中能够产生锡、铅等元素的偏析,因此,焊接时需要采取特殊的工艺措施。钢与铜及铜合金的熔化焊的熔化焊分为：手工电弧焊，钨极氩弧焊(TIG)，熔敷扩散焊几种焊接方法。35.2钢与铜及铜合金钎焊钢与铜及铜合金较精密的焊接,宜采用钎焊,钎焊不会出现熔化焊时易产生的裂纹、气孔、偏析等问题,但钎焊时易降低接头的抗腐蚀性能,接头强度较低,且使用范围受一定限制。钢与铜及铜合金钎焊一般采用铜-磷-锡焊膏的