不预热紫铜TIG焊接的工艺研究

不预热紫铜TIG 焊接的工艺研究郁雯霞（无锡工艺职业技术学院，江苏宜兴214206）紫铜以其优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的抗腐蚀性能，成为电子、化工、船舶、能源动力、交通等工业领域中高效导热和换热管道、导电、抗腐蚀部件的优选材料［1］。

长期以来，紫铜的焊接主要是气焊、钎焊、手工电弧焊、TIG 焊、埋弧焊、扩散焊等方法。

近年来，随着焊接技术的发展，又采用了电子束、等离子弧等高能热源进行焊接，取得了很好的效果，但由于设备、成本、生产周期等方面的影响使其不能得到广泛的应用，目前，紫铜构件的焊接主要采用气焊、手工电弧焊和氩弧焊方法焊接，要求预热温度500℃以上，焊接件严重过热，焊接裂纹难以避免,焊接质量受到严重影响,而且工作环境恶劣，生产效率低。

因此，为了适应耐腐蚀性能优良、成本低廉的紫铜材料应用的需要，研究适应实际应用需求的实用、高质量的焊接技术就显得越来越重要，越来越迫切。

1紫铜的焊接性铜为面心立方晶体，具有较多的滑移系，室温、高温下有很好的变形能力，但铜在500℃-600℃呈现“中温脆性”。

在焊接过程中，此温度区间易出现裂纹。

紫铜就是所说的纯铜，因其表面呈紫色而得名［2］。

工程用紫铜，含量一般在99.95%以上，杂质对铜的焊接性有很大的影响。

紫铜中的杂质主要有氧、硫、铅、铋等，均由冶炼过程带入，这些杂质能与铜形成各种脆性化合物和低熔点共晶物，增加材料的冷脆性和焊接过程中出现热裂纹的可能性，因此必须严格控制。

铜有较高的导热性（比钢的导热系数大8倍），如果加热温度不高或线能量密度小，铜无法熔化，局部出现未焊透，无法满足要求。

而随着加热温度的升高，铜的结晶组织变的粗大，相互之间的焊接性能变差。

铜在焊接过程中易出现的缺陷主要有裂纹和气孔。

裂纹以热裂纹为主，其形成原因主要是铜中的杂质元素与铜形成的低熔共晶产物在熔池凝固时聚集在晶界上，并形成液态薄膜，会削弱晶粒之间的结合力，因此在拉应力的作用下形成裂纹。

气孔主要是由氢引起的H 2气孔。

铜在液体状态时能溶解比较多的氢，但溶解度随着温度的降低而下降，特别是在金属凝固过程中，溶解度急剧下降，因此会从金属中析出并形成气泡，当熔池金属结晶较快时，气泡来不及逸出，就会产生氢气孔［3］。

熔化焊紫铜时容易出现基材难以熔合、坡口焊不透和表面成型差等焊接缺陷，原因与紫铜独特的热物理性能有关［4］。

紫铜的导热性好，因此应选择热效率高和热量集中的焊接方法。

热效率愈高，能量愈集中愈有利。

钨极氩弧焊（TIG ）具有电弧稳定、能量集中、保护效果好、操作灵活等突出优点，它已逐渐取代传统的气焊、碳弧焊和手工电弧焊而成为薄板紫铜熔化焊接方法中应用最广泛的一种。

2Ar 、He 、N 2气体保护TIG 堆焊成型试验为了得到氩气、氦气、氮气保护时焊缝成型情况，现分别对Ar 、He 、N 2三种气体保护时的TIG 堆焊焊缝成形情况作了对比试验，并研究了不同氮氩混合气体保护时的熔深变化。

2.1焊接工艺分别采用Ar 、He 、N 2三种气体保护进行TIG 焊，不填加焊丝，在250mm ×100mm ×10mm 的T3紫铜板表面进行堆焊，堆焊长度大约60mm ，电弧高度3mm 。

试验发现，在240A 电流下，氩气保护不预热时，母材根本不能熔化，所以对其预热至300℃观察其成型情况。

焊接工艺参数如表1所示。

摘要：针对紫铜焊接性较差的特点,在不预热的情况下分别采用Ar 、H e 、N 2及Ar +N 2保护气体对厚壁紫铜进行了TI G 焊接工艺的研究，并对试验结果进行了分析与比较。

试验结果表明，采用H e 、N 2及Ar +N 2保护气体可使得电弧的热效应显著提高，实现紫铜的不预热TI G 焊接是可行的。

关键词：不预热；紫铜；TI G 焊接中图分类号：T G402文献标识码：A 文章编号：1002－2333（2008）11－0128－03The Technology Research of TIG Welding for Red Copper without PreheatingYU Wen-xia（Wuxi Institute of Arts &Technology,Yixing 214206,China ）Abstract ：Aim at bad welding performance of red copper,the paper studied the TIG welding technology of thick-wall red copper adopting Ar,He,N 2and Ar +N 2under non -warming -up condition,and analyzed and compared the test result.The experimental result shows that welding arc ’s heating effect is evidently increased with using controlled atmosphere of He,N 2and Ar+N 2,it ’s feasible to realize TIG welding of red copper under non-warming-up condition.Key words ：non-warming-up;red copper;argon tungsten-arc welding解决方案SOLUTION工艺/工装/模具/诊断/检测/维修/改造机械工程师2008年第11期128试验序号G1G2G3G4G5保护气体（体积分数）5%N 2+95%Ar 25%N 2+75%Ar 50%N 2+50%Ar 75%N 2+25%ArN 2气体流量/L ·min -155555焊接电流/A 240240240240240预热温度/℃不预热不预热不预热不预热不预热试验序号G1G2G3保护气体Ar He N 2气体流量/L ·min -1555焊接电流/A 240240240预热温度/℃300不预热不预热2.2试验结果及分析试验过程中发现，采用氮气保护的焊接方式所得到的焊缝成形非常的糟糕，如图1（a ）所示。

氮气保护时焊缝表面成形不好主要有2个原因，一是由于过大的电弧压力将液态金属吹出熔池；二是由于高温下溶入焊缝的氮气在焊缝冷却过程中析出时在焊缝表面留下的孔洞液态金属没有完全填充所致。

从目前的焊接结果看来，后者是主要原因。

如果采用往复摆动的焊接手法时，焊缝中的气体析出时所形成的孔洞有足够的时间被液态金属填充。

反复多次试验后发现，在保证向前焊接的同时，采用往复摆动的焊接方式得到了令人满意的焊缝成形，焊接方式如图2所示。

焊缝外观照片如图1（b ）所示。

图3为不同气体保护时的焊缝表面形貌。

比较3种气体的表面成型可以看出，氩气焊接时咬边较严重，而且焊缝表面微孔较多；氦气保护时焊缝的表面成型最好；采用摆动焊法后氮气保护时的表面成型有明显的改善，但是表面仍然较粗糙。

同样是不预热，氮气保护时其熔化母材的量明显地多于氦气保护，而且，氮气保护时焊缝的尺寸也同样比氦气保护时的焊缝尺寸大。

图4为不同气体保护时的焊缝截面照片。

从图中的可以测量出，氮气保护时的熔深为4mm ，而其它条件不变的情况下，氦气保护时的熔深为2mm ，仅为氮气保护时的一半。

氩气保护预热300℃时的熔深为3mm ，没有氮气不预热时的熔深大。

可见氮气保护时，可以实现紫铜材料的不预热焊接。

分析图4中3种气体保护时的焊缝截面形状还可以发现，氩气和氮气保护时的焊缝金属的截面比较相像，都是宽而浅，它们的焊缝截面形状系数均为2.5。

氦气保护时的焊缝截面接近正圆形，形状系数较小，约为1.9。

3Ar ＋N 2混合气体保护TIG 堆焊成型试验3.1焊接工艺在试验材料尺寸为250mm ×100mm ×10mm 的T3紫铜板上进行堆焊，不填加焊丝，堆焊长度大约60mm ，电弧高度3mm 。

焊接工艺参数如表2所示。

3.2试验结果及分析图5为不同比例氮氩混合气体保护时的焊缝截面。

从试验结果可以看出，在氩气中加入5％的氮气时，就可以在不预热的情况下使母材熔化。

随着保护气体中氮气比例的增加，母材熔宽和熔深增大。

从图5中还可以很明显地看出，保护气体中含有氮气时，焊缝中出现大量的气孔，其最大直径可达1mm 。

图6和图7分别为不同比例氮氩混合气体保护时，焊缝熔深和熔宽随保护气体中氮气比例变化的曲线图。

从这两幅图可以看出，当保护气体中氮气比例增加至表1焊接工艺参数图1氮气保护一般焊法及摆动焊法时的焊缝表面成形（a ）普通焊法（b ）摆动焊法焊接方向焊炬的摆动模式一般焊法摆动焊法（a ）（b ）图2一般焊法和摆动焊法示意图（a ）Ar（b ）He（c）N 2图3不同气体保护TIG 堆焊时的焊缝表面形貌（b ）He （a ）Ar（c ）N 2图4不同气体保护时的焊缝截面表2焊接工艺参数（a ）5%N 2+95%Ar （b ）25%N 2+75%Ar （c ）50%N 2+50%Ar（d ）75%N 2+25%Ar （e ）100%N 2图5不同比例氮氩混合气体保护时的焊缝截面129机械工程师2008年第11期解决方案SOLUTION工艺/工装/模具/诊断/检测/维修/改造（c）内冷屏（a）纵场磁体（b）真空室图1EAST装置主机关键部件结构!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!75％时焊缝熔深几乎不再增加，而焊缝熔宽随着保护气体中氮气比例的增加一直近似线性上升。

4结论（1）分别采用氩气、氦气和氮气保护不预热TIG焊接紫铜时，氮弧的熔深为氦弧的2倍，比氩弧预热300℃时大30％。

（2）氩气和氮气保护时的焊缝截面宽而浅，氦气保护时，焊缝截面接近正圆形。

氩气中加入5％的氮气即可以使母材熔化，保护气体中氮气比例增加至75％时焊缝熔深几乎不再增加，焊缝熔宽随着保护气体中氮气比例的增加一直近似线性上升。

（3）试验证明，紫铜的不预热焊接是可行的。

［参考文献］［1］季杰，马学智.铜及铜合金的焊接［J］.焊接技术，1999（2）：13-15.［2］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷材料的焊接）［M］.北京：机械工业出版社，1992.［3］邹增大，李亚江，孙俊生，曲仕尧.焊接材料、工艺及设备手册［M］.北京：化学工业出版社，2001.［4］杨凌川，赵献金.紫铜玻纤焊接修复工艺［J］.焊接技术，1997（6）：17-18.（编辑立明）作者简介：郁雯霞（1980－），女，硕士，助教，主要从事焊接过程控制的研究。