铜合金焊接工艺技艺及焊接质量控制.doc

铜合金焊接工艺及焊接质量控制一、焊接技术的发展及在铜合金焊接中的应用（一）焊接技术的发展1.古代发展焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊，钎焊和锻焊战国时期的刀剑武器等刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的古代焊接技术长期停留在铸焊，锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低，能量不集中，无法用于大截面，长焊缝工件的焊接，只能用以制造简单的饰品，工具和武器2.近现代发展19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885-1887年，俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900又出现了铝热焊20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20年代成为一种重要的焊接方法1951年，苏联发明电渣焊成为了大厚度工件的高效焊接方法；1953年，苏联又发明二氧化碳保护焊，促进了气体保护电弧焊的发展，如出现了混合气体保护焊，药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等1957年美国盖奇发明等离子弧焊；40年代德国法国相继发明电子束焊，也在之后得到实用和进一步发展；60年代又出现了激光焊；这标示着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其它方法焊接的材料和结构得以焊接161887年美国汤普森发明电阻焊，用于薄板的电焊和缝焊；缝焊是最早的半机械化焊接方法，之后又出现了闪光对焊方法焊接棒材和链条，至此电阻焊进入实用阶段。

到目前为止，焊接技术已经有20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展之中一方面，材料学进入21世纪已显示出以下的变化趋势，即从黑色金属向有色金属变化；从多维材料向低维材料变化；从单一材料向复合材料变化新材料的连接对焊接技术提出了更高的要求另一方面，基于计算机技术的先进制造技术如计算机辅助焊接（CAM）、焊接机器人、计算机集成制造系统（CIM）to等蓬勃发展，正从信息化、集成化、系统化、柔性化等几个方面改变着焊接技术的生产面貌二）焊接技术在铜合金中的应用铜具有优良的导电性和、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定强度等特性在电电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天工业中应用广泛在纯铜中加入十余种合金元素，形成固溶体的各类合金铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等方法实现连接，在工业发达的今天，熔焊已占据主导地位用TIG焊、焊条电弧焊、MIG焊等焊接工艺方法易实现铜及铜合金的焊接1、紫铜的焊接焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氩弧焊等方法，大型结构也可采用自动焊1）紫铜的气焊焊接紫铜最常用的是对接接头，搭接接头和丁字接头尽量少采用气焊可采用两种焊丝，一种是含有脱氧元素的焊丝，如丝201、202；另一种是一般的紫铜丝和母材的切条，采用气剂301作助熔剂。

气焊紫铜时应采用中性焰2）紫铜的手工电弧焊焊件厚度大于4毫米时，焊前必须预热，预热温度一般在400-500℃左右用铜107焊条焊接，电源应采用直流反接焊接时应当用短弧，焊条不宜作横向摆动焊条作往复的直线运动，可以改善焊缝的成形长焊缝应采用逐步退焊法焊接速度应尽量快些多层焊时，必须彻底清除层间的熔渣焊接应在通风良好的场所进行，以防止铜中毒现象焊后应用平头锤敲击焊缝，消除应力和改善焊缝质量3）紫铜的手工氩弧焊 在紫铜手工氩弧焊时，采用的焊丝有丝201(特制紫铜焊丝)和丝202，也采用紫铜丝，如T2焊前应对工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物都必须清理干净，避免产生气孔、夹渣等缺陷清理的方法有机械清理法和化学清理法对接接头板厚小于3毫米时，不开坡口；板厚为3～10毫米时， 开V型坡口，坡口角度为60-70º； 板厚大于10毫米时，开X型坡口，坡口角度为60-70º；为避免未焊透，一般不留钝边根据板厚和坡口尺寸，对接接头的装配间隙在0.5～1.5毫米范围内选取紫铜手工氩弧焊，通常是采用直流正接，即钨极接负极为了消除气孔，保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，必须提高焊接速度，减少氩气消耗量，并预热焊件。

板厚小于3毫米时，预热温度为150-300℃；板厚大于3毫米时，预热温度为350-500℃预热温度不宜过高，否则使焊接接头的机械性能降低 还有紫铜的碳弧焊，碳弧焊使用的电极有碳精电极和石墨电极紫铜碳弧焊所用的焊丝和气焊时一样，也可用母材剪条，可用气焊紫铜的助熔剂，如气剂301等2、黄铜的焊接黄铜焊接的方法有：气焊、碳弧焊、手工电弧焊和氩弧焊1）黄铜的气焊由于气焊火焰的温度低，焊接时黄铜中锌的蒸发比采用电焊时少，所以在黄铜焊接中，气焊是最常用的方法黄铜气焊采用的焊丝有：丝221、丝222和丝224等，这些焊丝中含有硅、锡、铁等元1/2素，能够防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的性能和防止气孔产生气焊黄铜常用的熔剂有固体粉末和气体熔剂两类，气体熔剂由硼酸甲脂及甲醇组成；熔剂如气剂3012）黄铜的手工电弧焊焊接黄铜除了用铜227及铜237外，也可以采用自制的焊条黄铜电弧焊时，应采用直流电源正接法，焊条接负极焊前焊件表面应作仔细清理坡口角度一般不应小于60-70º，为改善焊缝成形，焊件要预热150-250℃操作时应当用短弧焊接，不作横向和前后摆动，只作直线移动，焊速要高与海水、氨气等腐蚀介质接触的黄铜焊件，焊后必须退火，以消除焊接应力。

3）黄铜的手工氩弧焊黄铜手工氩弧焊可以采用标准黄铜焊丝：丝221、丝222和丝224， 也可以采用与母材相同成分的材料作填充材料焊接可以用直流正接，也可以用交流用交流焊接时，锌的蒸发比直流正接时轻通常焊前不用预热，只有板厚相差比较大时才预热焊接速度应尽可能快焊件在焊后应加热300-400℃进行退火处理，消除焊接应力，以防止焊件在使用过程中裂缝4）黄铜碳弧焊黄铜碳弧焊时，根据母材的成分选用丝221、丝222、丝224等焊丝，也可用自制的黄铜焊丝施焊焊接可以采用气剂301等作熔剂焊接应短弧操作，以减少锌的蒸发和烧损直流TIG焊工艺方法广泛应用于铜及铜合金的焊接，焊风成型好，内外质量优良，在氩气的保护下，熔池纯净，气孔少，热裂影响小，操作易掌握厚度≤4mm时可不用焊前预热，直接用氩气预热，待熔池温度接近600℃时，可加填充焊丝熔化母材，实现焊接厚度大于4mm的铜材，纯铜应预热400—600℃铜合金焊接预热200—300℃300TSP，315TX直流TIG焊机可焊接纯铜、硅青铜、磷青铜、黄铜、白铜等铜合金300WP5、300/500WX4交直流两用TIG焊机可用交流TIG焊接铝青铜(用交流方波清除表面氧化膜)及用直流TIG焊接上述铜材。

　　近年来，采用MIG方法焊接铜及铜合金的施工越来越多，尤其对于厚度≥3mm的铝青铜、硅青铜和白铜最好选用MIG焊方法厚度3~14mm或>14mm的铜及铜合金几乎总要选用MIG焊，因为熔敷效率高、熔深大、焊速快(一般为TIG焊的3~4倍)，实现高效、优质、低成本的经济效益要求铜材施焊前均应达到预热温度要求(纯铜400~600℃，铜合金200~300℃)，焊丝与母材化学充分相似，氩气纯度≥99.98%   （三）铜合金焊接的发展趋势随着焊接技术的发展，铜合金焊接技术的发展趋势主要体现在一下几个方面：1.能源方面，首先是对现有热源的改善，其次是开发更好的、更有效的热源、第三是节能技术2.多传感器信息智能融合技术，随着机器人系统中实用的传感器种类和数量越来越多，各种新型传感器的不出现利用各种传感信息，获得随环境的正确理解，是机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性3.计算机技术的应用4.提高焊接生产效率即提高焊接熔敷率和减少坡口截面及熔敷金属量二、铜合金简介铜合金以它独特而优越的综合性能，获得广泛的用途铜合金具有优良的导电性、导热性能，高的抗氧化性以及耐淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物质腐蚀的性能，但易在氧化性酸中腐蚀。

铜合金具有良好的冷热加工性能和较高的强度铜合金在电气、电子、化工、食品、动力、交通、航空、航天及兵器等工业中得到了广泛的应用 （一)铜合金的分类（1）纯铜纯铜是指含Cu的质量分数达95%以上的所谓的工业熟铜由于其导电导热性能极好多用于制造电线、电缆、热交换器等2）黄铜黄铜是以锌为主要元素的铜-锌合金其中不含其他合金元素的黄铜称为普通黄铜（简单黄铜）；含有其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜（复杂黄铜）黄铜的强度硬度比纯铜高，而且耐腐蚀性好，常用于制造船舶零件、管嘴、轴承等（3）青铜青铜是以除锌以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金按其所含的主要合金元素的种类可分为：锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜青铜具有比纯铜黄铜更高的强度和耐磨性，适于作为耐腐蚀的结构材料4）白铜白铜是铜-镍合金，因颜色近白色而得名白铜的力学性能很高，且耐腐蚀性也很好，常用于船舶和电气工业的冷凝管二）铜合金的焊接性1.热导率高引起的熔化困难和热热影响区宽度过大问题由于散热很快，母材难于熔化而且不易与焊缝金属很好的熔合，必须采取预热和加大焊接热源功率等措施同时，散热快还使热影响区变宽，从而也使焊接变形更加严重，所以要采取措施（如刚性夹具）减小变形，但要注意防止因刚性过大而引起的裂纹问题。

2.杂质引起的裂纹问题铜与很多种杂质或化合物都会形成低点共晶，如：Cu2O+Cu；Cu+Bi；Cu+Cu2S；Cu+Pb等低熔点物质分布于晶界，造成热脆性甚至引起结晶裂纹此外，结晶温度区间大小当然也会影响结晶裂纹倾向，所以必须控制杂质及合金的含量，或者在焊缝金属中加入脱氧的合金元素如Si、Mn、P等在焊接工艺上则尽量减小接头的拘束，或用预热来减缓冷却速度，降低焊接应力下表1.1列出了铜合金的结晶温度区间表1 铜合金的结晶温度区间合金成分（质量分数）%T/℃结晶温度区间/℃固相线液相线黄铜Cu-63%,Zn-37%90291513锡青铜Cu-92%,Sn-8%,P-0.38%8501030180铝青铜Cu-93%,Al-7%104010422硅青铜Cu-98.75%,Si-1%,Mn-0.25%10401070303.气孔问题铜及铜合金焊接时，形成焊缝气孔的倾向很大，一方面是有很多种因素造成熔池内气泡，如在固-液态温度下，氢在固态和液态的溶解度差别很大，结晶时氢逸出形成气泡；熔池中锌、磷等沸点低的元素蒸发也形成气泡；熔池中氢和CO会与Cu2O作用形成水蒸气和CO2，也形成气泡此外还有些合金元素如锌、镉和磷，沸点很低，焊接时可能气化，形成气泡。

由于铜和铜合金的热导率很高，所以形成的气泡往往来不及逸出，如果残留在焊缝中就造成了气孔为了防止铜及铜合金焊缝气孔，必须减少氢氧含量；填充金属中尽量减少低沸点元素，以免产生气体；预热以延长熔池存在时间，使气泡来得及逸出；采用含有铝、钛等强脱氧元素的填充材料来减少气体来源，都是有效措施4.其他接头性能变化问题经过焊接热过程焊缝结晶长大，杂质增多，合金元素烧损，蒸发……，铜及铜合金的接头性能会有较大的变化首先是导电性能明显下降，任何杂质或者合金元素进入焊缝都会使导电性能下降因此，纯铜焊接时为保证导电性能，必须力图防止杂质进入焊缝其次，接头的力学性能，主要是因为晶粒粗大和晶界存在杂质使塑形、韧性明显降低这要采取使焊缝合金化和变质处理来加以改善此外，一些铜合金的耐腐蚀性是依靠锌、锰、镍、铝、锡等元素获得的，焊接时这些元素的烧损会使耐腐蚀性降低，因而必须加强对这些合。