有色金属的焊接(Cu)

第6章有色金属的焊接(Cu)16.1铜及铜合金的焊接一、铜及铜合金的种类及性能特点根据化学成分来进行分类：纯铜、黄铜、青铜及白铜等。（一）纯铜：具有很高的导热性、导电性，良好的耐蚀性和塑性。焊接结构一般采用软态纯铜。

2（二）黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金。黄铜的耐蚀性高，冷热加工性能好，导电性能比纯铜差，力学性能优于纯铜，应用较为广泛。（三）青铜：青铜原指铜锡合金，现在习惯上将不以锌或镍为主要合金元素的铜合金称为青铜。1、性能：青铜有良好的耐磨性和良好的力学性能，铸造性能和耐蚀性能也比较好。2、分类：常用青铜有：锡青铜(QSn4-3)、铝青铜(QAl9-2)、硅青铜(QSi3-1)等。此外，以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。白铜具有良好的耐蚀性能和力学性能

。3二、铜及铜合金的焊接性

焊接性比较差，焊接铜及铜合金比焊接低碳钢困难得多。主要表现在以下几个方面：(一)焊缝成形能力差

1、问题：容易出现难熔合、坡口焊不透和表面成形差的外观缺陷（这主要是由于铜的导热性强）。2、解决：焊接纯铜和大多数导热性强的铜合金时，除需采用大功率、高能量密度的焊接方法外，还必须配合不同程度的预热，不允许采用悬空单面焊，单面焊时背面必须附加垫板，以控制焊缝成形。

4(二)焊缝及热影响区热裂倾向大

1、原因：1）焊缝的热裂纹倾向是与焊缝杂质的影响有关，还与焊接过程产生的应力有关。2）此外，焊接纯铜时，其焊缝为单相组织，且由于纯铜导热性强，焊缝易生成粗大晶粒。这也会加剧热裂纹的生成。2、铜及铜合金的焊接可采取哪些措施，防止热裂纹？

1)严格限制铜中杂质(氧、铋、铅、硫等)的含量。2)增强对焊缝的脱氧能力，通过焊丝加入硅、锰、磷等合金元素脱氧。3)选用能获得双相组织的焊接材料，破坏低熔点共晶薄膜的连续性，打乱柱状晶的方向。4)预热、缓冷等措施来减少焊接应力，减小根部间隙尺寸，并加大根部焊道尺寸，以防止裂纹的产生。5(三)容易形成气孔

1、熔焊铜及铜合金时，出现气孔的倾向比低碳钢要严重的多。主要原因有：1)焊缝发生气孔的敏感性强，如氩弧焊时氩气中加入少量其它气体焊缝即产生气孔。2)氢溶解度的急剧变化：液态铜中溶解较多的氢，凝固时其溶解度大大降低。3)C02的生成：焊接高温下铜与氧生成的氧化亚铜(Cu20)，Cu20不溶于铜而析出，与氢或C0反应生成水蒸气或C02也不溶于铜，生成反应性气孔。3)铜的导热性太强：铜的热导率比铁大8倍以上，焊缝的冷却要快得多，氢扩散逸出和H20的上浮条件更恶劣，形成气孔的敏感性自然增大。62、减少和消除：主要措施就是减少氢和氧的来源和预热来延长熔池存在时间，使气体易于析出。采用含铝、钛等强脱氧剂的焊丝(同时也可脱氮脱氢)或在铜合金中加入铝、锡等元素都会获得良好的效果。(四)焊接接头性能下降

1、主要表现：熔化焊过程中，由于晶粒严重长大以及合金元素蒸发，烧损与杂质的渗入使焊接接头的力学性能、导电性能和耐蚀性能下降。1）塑性显著降低2）导电性下降3）耐蚀性能下降2、改善措施：主要是控制杂质的含量，减少合金烧损，通过合金化对焊缝进行变质处理等；其次尽量减少热作用，焊后进行消除应力处理等。7三、铜及铜合金的焊接工艺要点(一)焊接方法的选择

选用原则，应该根据被焊材料的成分、厚度、结构特点及使用性能要求综合考虑。从铜是在常用的焊接金属中导热性最好这一点考虑，焊接铜及其合金是需要大功率、高能量密度的焊接方法，热效率越高、能量越集中越好。不同厚度的材料对各种焊接方法有其适应性。8铜及铜合金焊接方法的特点及应用范围焊接方法特点应用范围气焊设备简单，操作方便，但火焰的热功率较低，热量分散，焊件变形大，生产率低适用于厚度小于3mm的不重要结构焊条电弧焊设备简单，操作灵活，焊接速度较快，焊接变形小。但焊接质量差，易出现夹渣、气孔不适用于薄板的焊接钨极氩弧焊焊接质量好，易于操作，但设备费用高主要用于薄板(δ<12mm)的焊接熔化极氩弧焊焊接质量好，焊接速度快，机械化程度高，但设备费用高板厚大于3mm的可用，板厚大于l5mm优点更明显埋弧焊电弧功率大，熔深大，变形小，焊接质量好，但电弧电压高时，焊缝成形狭窄，易气孔适用于6～30mm的中厚板9(二)焊接材料的选择1．焊丝：除满足一般工艺与冶金要求之外，主要控制杂质含量和提高脱氧能力，以避免热裂纹及气孔。焊接纯铜用的焊丝中主要加入Si、Mn、P等脱氧元素。对黄铜来说，在焊丝中加入强脱氧元素Al，除脱氧外还可细化焊缝组织，提高接头的塑性和耐蚀性。焊缝中的Fe可提高焊丝强度和耐磨性，但会降低塑性。焊缝含有少量Ti可细化焊缝金属组织，提高强度。加入适量的Sn元素会增加液体金属的流动性，改善焊丝的工艺性能。2．焊条：分为黄铜焊条、青铜焊条两类，目前应用较多的是青铜焊条。由于黄铜中的锌容易蒸发，因而极少采用焊条电弧焊，必要时可采用青铜焊条。(三)焊前准备及合理的接头形式

铜及铜合金焊件对焊前预处理的要求比较严格。接头形式尽量不采用搭接接头、T形接头、内角接接头，因为这几种接头形式散热快，不易焊透，焊后清除流人焊件缝隙中的溶剂和熔渣很困难。应采用散热速度相对较慢的对接接头、端接接头，并根据母材厚度和焊接方法的不同，制备相应的坡口。10(四)焊接工艺要点1．气焊：氧乙炔焊比较适于焊接薄铜件、铜件的修补或不重要结构的焊接。(1)焊接材料选择：气焊纯铜常用含有P、Si、Mn等合金元素的焊丝，用以对熔池脱氧。气焊必须使用焊剂。使用时可用水把焊剂调成糊状涂在焊道上或涂于焊丝上，用火焰烤干后即可施焊。(2)焊接参数的选择和焊前预热：焊接纯铜时，应严格采用中性焰。

为防止焊接内应力，防止出现裂纹、气孔、未焊透等缺陷，纯铜气焊时一般需要预热。对薄板、小尺寸焊件的预热温度为400～500℃，厚大焊件预热温度提高至600～700℃。黄铜和青铜的预热温度（比纯铜）可适当降低。11（3）焊接操作：①气焊薄板时应采用左焊法，这有利于抑制晶粒长大。当焊件厚度大于6mm时，则采用右焊法；②焊炬运动要尽可能的快，每条焊缝不要随意中断焊接过程，最好单道焊，一次焊完。③焊接长焊缝时，焊前必须留有合适的收缩余量，并要先点固后焊接，焊接时应采用分段退焊法，以减少变形。④对受力或较重要的铜焊件，必须采取焊后锤击接头和热处理工艺措施。薄铜件焊后要立即对焊缝两侧的热影响区进行锤击。5mm以上的中厚板，需要加热至500～600℃后进行锤击。锤击后将焊件加热至500～600℃，然后在水中急冷，可提高接头的塑性和韧性。

黄铜应在焊后尽快在500℃左右退火。122．埋弧焊埋弧焊焊接铜及铜合金时，δ<20mm的焊件在不预热和不开坡口的条件下可获得优质接头，特别适合于中厚板的长焊缝焊接。纯铜、青铜埋弧焊的焊接性能好，黄铜的焊接性尚可。

(1)焊丝与焊剂的选择：HJ430、HJ431具有良好的工艺性能，但氧化性较强，使焊接接头的导电性、耐蚀性和塑性下降。对接头性能要求高的焊件可选用氧化性较弱的HJ260、HJl50。(2)焊接参数的选择和焊前预热：纯铜的热导率大、热容量大，应选大的焊接电流、高的焊接电压(一般为34-40V)。黄铜埋弧焊时，应选用较小的焊接电流(约比纯铜的焊接电流减少l5％-20％)和较低的焊接电压，以减小锌的蒸发烧损。

黄铜、青铜焊丝的熔化速度随干伸长度的增大而增大，一般选20～40mm。纯铜埋弧焊时可不预热，但为保证焊接质量，对于厚度大于20mm的焊件最好采用局部预热(200-400℃)。133．手工TIG焊是铜及铜合金的主要焊接方法之一，适用于中、薄板和小件的焊接和补焊。(1)填充焊丝的选择：焊丝有专用和通用的两类。

对于纯铜和白铜，材料本身不含脱氧元素，一般选择含有Si、P或Ti脱氧剂的无氧铜焊丝和白铜焊丝，如HS201、ECu、RCuSi等，它们具有较高的导电率和与母材颜色相同的特点。对于黄铜，为了抑制锌的蒸发烧损对气氛造成污染和电弧燃烧稳定性造成的不利影响，填充金属不应含锌。焊普通黄铜，采用无氧铜加脱氧剂的锡青铜焊丝，如SCuSnA；焊高强度黄铜，采用青铜加脱氧剂的硅青铜焊丝或铝青铜焊丝，如SCuAl、SCuSi、RCuSi等。青铜选用相应的青铜焊丝：对于青铜，材料本身所含合金元素就具有较强的脱氧能力，焊丝成分只需补充氧化烧损部分，及选用合金元素含量略高于母材的焊丝，如硅青铜焊丝SCuSi、RCuSi；铝青铜焊丝SCuAl；锡青铜焊丝SCuSn、RCuSn等。14(2)焊接参数的选择和焊前预热

对大多数的铜及铜合金的钨极氩弧焊均采用直流正极性，此时焊件可获得较高的热量和较大的熔深。钨极氩弧焊时，当焊件厚度在4mm以下可以不预热，4～12mm厚的纯铜预热至200～450℃，青铜与白铜可降至150～200℃，硅青铜、磷青铜可不预热并严格控制层间温度低于100℃。补焊大尺寸的黄铜和青铜铸件时，一般需预热至200～300℃。如采用Ar+He混合保护气体焊接铜或铜合金可以不预热。4．熔化极氩弧焊(MIG焊)MIG焊是焊接中、厚板铜及铜合金的理想方法，由于其电流密度大，电弧穿透力强，焊接速度快，焊缝成形美观及焊接质量高，因此在生产中得到广泛应用。

(1)焊丝的选用选用焊丝的原则及具体选用焊丝的成分与TIG几乎完全一样。我国生产的标准焊丝对TIG焊和MIG焊是通用的。15(2)预热及焊后热处理：

MIG焊接厚度大于6mm或所用焊丝直径大于1.6mm的V形坡口均需预热，对于硅青铜和铍青铜，根据其脆性及高强度的特点，焊后应进行消除应力退火和500℃保温3h的时效硬化处理。(3)焊接参数的选择：