铜合金焊接工艺及焊接质量控制

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

1887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～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301。

（2）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≥%。

（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。