铜钢异种材料焊接

1 试验研究内容紫铜是工业上重要的金属材料，具有极好的导热性、常温和低温塑性，对大气、海水、非氧化性酸及钙盐等有良好的耐腐蚀性。

但由于它强度低，比重大，单独作为容器结构材料在大型化工装备上的应用受到限制。

若采用加工硬化提高其强度，其塑性会大幅度降低，同时耐蚀性受损，因而它对某些介质的良好耐蚀性这一优点难以充分发挥。

异种金属爆炸复合连接方法的出现，使铜能够真正大量应用于化工装备，但铜的焊接性差，铜—钢之间的焊接连接成为铜—钢化工装备制造中的一个主要难题。

随着经济的迅速发展和科学技术的不断进步，新材料、新工艺、新设备不断涌现，对零部件的性能提出了更高的要求。

采用钢和铜复合零部件，因在性能与经济上优势互补，具有广阔的应用前景，如在转炉炼钢工程的氧气管道需要采用T2铜管和不锈钢管焊接，新一代航空发动机采用铬青铜与双相不锈钢电子束焊接，弹带上钢与纯铜的熔敷扩散焊等。

本实验以紫铜和Q235钢为主要材料，主要研究紫铜和钢在TIG氩弧钎焊焊接性，研究接头的力学性能，分析其接头的组织成分特点，找到相对合适的焊接工艺。

2 研究方案论证2.1 铜-钢焊接分析在铜-钢焊接中，铜与铁的熔点、导热系数、线膨胀系数和力学性能等都有很大的不同，容易在焊接接头中产生应力集中，导致各种焊接裂纹。

另一方面，铜与钢的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数目等都比较接近，且铜与铁属于在液态时无限固溶，在固态下，虽为有限固溶，但并不形成脆性金属间化合物，而是以(α+ε)的双相组织形式存在，这是二者实现焊接的基本依据。

因此，只要克服前述的铜与铁在物理性能上存在差异的困难，是可以获得正常焊接接头的。

两种金属物化性能如表1-1。

表1-1 铁和铜的物理性能钢与铜及铜合金的焊接主要存在下面几个问题:（1）焊缝易产生热裂纹由于铜与钢会形成低熔点共晶，以及线膨胀系数相差较大，焊缝容易产生热裂纹和晶界偏析(即低熔点共晶合金或是铜的偏析)，因而焊接时，在较大焊接应力作用下，呈现出宏观裂纹。

（2）热影响区产生铜的渗透裂纹铜及铜合金与不锈钢焊接时容易出现铜的渗透裂纹。

为防止渗透裂纹产生，需要合理选择焊接工艺，选用小的焊接热输入量；同时还要选择合适的填充材料，控制易产生低熔点共晶的元素(S，P，Cu2O，FeS，FeP)，向焊缝中加入Al，Si，Mn，Ti，V, Mo，Ni等元素。

（3）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7- 11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。

（4）焊接接头力学性能降低在焊接热循环作用下，接头中晶粒严重长大，杂质和合金元素掺入焊缝，容易形成各种脆性的低熔点共晶体或脆性相，使接头的塑性、韧性、导电性、耐蚀性等显著下降。

（5）气孔倾向严重在焊接过程中，表面清理不干净及保护不良，高温时，水份分解的Ｈ及反应气体等能大量溶解于高温液态铜中；当焊缝金属由高温向低温转变时，气体的溶解度迅速降低，而铜的导热性好，冷却速度极快，溶入熔池中的气体来不及逸出而形成大量气孔。

2.2 钢与铜及铜合金的熔化焊研究表明，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。

2.2.1 手工电弧焊采用此法的主要问题是易产生裂纹、气孔和偏析等缺陷。

紫铜与低碳钢的焊接，一般采用J422、T107、T227焊条、扁铜线和焊剂301以及J507焊条上缠绕直径1.25 mm紫铜丝等。

焊接工艺要点为:当板厚大于4mm时，开大坡口(一般为70°的V型或不对称的X型坡口)；焊前烘干焊条；加引火弧板；预热铜板并在焊接过程中保持该预热温度；一般采用直流反接(扁铜线和焊剂301采用直流正接)；层焊完后清渣，并用小锤锤击焊缝以防裂纹。

2.2.2 钨极氢弧焊( TIG)TIG的主要问题是不易掌握好电弧热量对两种金属的分配，铜在弧焊时有热裂倾向。

因此，焊材一般可采用HS201(焊丝)。

焊接工艺要点为:开V型坡(70°不对称坡口，一侧30°，另一侧40°)，并清洗坡口防紫铜氧化；预热紫铜板;直流正接；电弧偏铜板一侧；焊时采用耐火纤维包覆试板，防止散热；采用多层焊，每层焊完后注意预热。

该方法适用于单件小批量生产。

2.2.3 熔敷扩散焊有文献报道了弹（50钢，冷拔态)与弹带(T2铜)的熔敷扩散焊接。

采用感应加热或等离子加热，使预制在弹体上的弹带(铜圈)局部或整体熔化，而钢不熔化，依靠铜铁的扩散实现冶金结合。

实验表明，弹带外观成型良好，焊合质量满足要求。

有文献提出了感应、电弧、连续炉和熔铸“熔覆铜”的工艺方法，实现了钢基体(50钢)与铜（T2)熔覆层的无熔深焊接。

熔覆层与铜基体有良好的冶金结合，界面无未焊合、夹渣等缺陷。

焊接界而剪切强度为148-163 MPa，超过了铜熔覆层的强度。

2.3 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—锡焊膏的硬钎焊和氧—乙炔火焰钎焊等方法，其特点是无镉、无银，但接头常出现气孔、夹渣、未焊透、侵蚀等焊接缺陷，使接头性能严重下降。

为防止制品腐蚀，焊后对钎剂要进行及时清洗。

钢与铜及铜合金采用火焰钎焊、中频钎焊等可获得优质的焊接接头，目前已在生产中获得了应用。

氩弧钎焊热影响区窄，工件变形小，焊接中可以不用钎剂。

该方法焊缝的常温、低温强度、致密性很好，耐疲劳性强，成型美观变形小清洁度高，特别适用于管与管板的焊接。

焊接工艺要点为:焊前清理焊时控制热量分布，采取短弧焊接。

扩散钎焊是在高温下保温一定时间以使焊件产生微量变形，使接触部分产生原子互相扩散的过程。

该方法兼有扩散焊与钎焊的特点，其接头是被焊件的原子通过固态的或熔化的中间夹层与对接面之间液态物质相互扩散而形成。

2.4 钢与铜及铜合金的固态焊为适应材料精密焊接的需要，固态焊接已成为异种材料连接的研究热点。

2.4.1 爆炸焊铜与钢的爆炸焊接已在国内外得到广泛应用，并成为很有前途的焊接方法之一。

用爆炸焊制造铜钢复合板的结合强度主要取决于爆炸焊的工艺参数、炸药质量与悬置板质量的比值、爆炸速度和两相邻板间的起始距离。

有文献应用2#岩石炸药爆炸焊接铜钢复合板获得成功。

对于1. 8 mm厚铜复板而言，质量比1.37、爆轰速度2.58 km/s为最佳；而对4.0mm厚铜复板，质量比0.7、爆轰速度2.67 km/s为最佳。

该试验结果已应用于实际生产，获得了良好的经济效益。

2.4.2 摩擦焊摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的。

铜与低碳钢的摩擦焊，由于铜的硬度底，在摩擦加热时，钢不发生明显的塑变，而铜会发生很大的塑变，从而使轴向摩擦力难以提高，摩擦功率低。

另外，铜的导热系数比钢大，使得摩擦产生的热量易于传给母材，而且铜在压力作用下易从焊接端而挤出形成飞边，也会散失部分热量，导致摩擦表面的温度很难提高，所以实际进行摩擦焊有一定困难。

2.4.3 真空扩散焊为实现钢与铜及铜合金的高精度、高质量的有效连接，目前国内外多采用真空扩散焊。

有文献对钢与铜合金进行了真空扩散焊试验，获得了较好的连接效果。

采用真空扩散焊虽然可获得优质接头，但其设备昂贵，工艺要求苛刻，且效率不高。

3、试验过程由于实验条件的限制，本实验采用钨极氢弧焊( TIG)进行焊接。

试验用母材为紫铜（T2）与低碳钢（Q235），材料的化学成分如表3-1所示。

试件尺寸为400×150×3mm，接头形式采用对接形式。

试验采用的焊材为φ3mm的HS201焊丝，焊丝的主要化学成分如表3-2。

焊机采用Panosonic焊机。

表3-1 材料的主要化学成分表3-2 HS201焊丝主要化学成分焊接工艺要点如下：（1）开V型不对称坡口和双V型坡口，钢一侧开40゜坡口，铜一侧开30゜坡口，坡口形式如图3-1所示。

使焊接电弧的热量较多地分配在铜板一边，保证铜板熔化良好，焊速不能过快，以防止产生未熔合和未焊透缺陷，并且焊速也不能过慢，以防止产生烧穿、塌陷等缺陷。

（2）焊前仔细清理坡口两侧20~30mm范围内的铁锈、氧化膜、水分和油污，焊条用砂纸打磨直至露出金属光泽，并且用丙酮擦洗去除表面油污。

图3-1 对接接头坡口示意图（3）采用短弧焊接，采用斜“之“字形运条方法，快速摆动，铜侧运条停留时间略长，在电弧力的搅拌下，使铜与铁充分均匀混和。

（4）对铜板预热时，采用电弧小电流预热的方式。

试验设置四组对照组，采用的焊接工艺参数如表3-3所示。

焊后沿焊缝横截面方向分别截取拉伸和金相试样，试样尺寸为150×15×3mm。

拉伸试样拉断后，进行断口扫描，分析断裂机制。

金相试样采用不同的腐蚀液腐蚀接头的不同部位，先用2%HNO3酒精溶液腐蚀钢侧，照完金相后，再用FeCl3溶液腐蚀铜侧及焊缝区。

试样观察采用Olympus金相显微镜。

表3-3 试验工艺参数4、试验结果及分析4.1力学性能测试从4块焊板上取6块拉伸试样，进行拉伸试验，试验结果见下表4-1。

试样1与试样2试验条件一样，然而在试验1中存在裂纹，致使沿缺陷方向断裂，抗拉强度降低。

X 坡口的抗拉强度要比V 坡口强度要低，主要原因是由于X 坡口焊缝中存在大量缺陷以及热影响区晶粒粗大造成的。

试样断裂除第一组沿裂纹断裂外，其余均沿铜侧熔合线发生延性断裂。

用扫描电镜观察其宏观断口，可以发现有明显的剪切唇和滑移线，如图4-1和图4-2所示，可以观察到明显的韧窝，说明了该断裂属于延性断裂。

图4-1 试样1断口扫描图像图4-2 试样5断口扫描图像（a ）（b ）（c ）（a ）（b ）4.2 显微组织分析4.2.1 宏观分析图4-3（a ）和（b ）分别为电流120A 和160A 时的接头宏观照片。

电流120A 时，钢侧母材并未熔化，形成钎焊接头，铜侧母材已经熔化形成了熔焊接头。

图4-3 接头宏观照片4.2.2 显微组织分析（1）钢侧显微组织分析图4-4为电流120A 时钢侧微观照片，（a ）是为Q235钢母材显微组织，图中白色组织为铁素体，黑色组织为珠光体。

（b ）为钢侧热影响区到母材组织变化图，从图中看出，在焊接热影响的作用下，热影响区晶粒粗大，为粗晶区。

图4-4 钢侧微观照片（b ）（a ）（a ）（b ）（a）（b）图4-5 钢侧焊缝组织微观照片图4-5（a）为电流120A时钢侧焊缝组织微观照片，图3-4（b）为电流160A时钢侧焊缝组织微观照片。