碳钢与紫铜的焊接工艺研究

碳钢与紫铜的焊接工艺研究

[摘要]本文解释了碳钢和紫铜的概念，并作了简要说明，分析了碳钢与紫铜的焊接特点，提出可以通过调整焊缝的化学组成和控制线能量，正确选用焊接工艺参数以获得理想的焊接金相组织来解决产生气孔和裂纹，对于性质相差很大的碳钢和紫铜的焊接，可以在其结合部位的碳钢一侧表面上刷镀一层铜，从而改善焊接部位的性能。

[关键词]碳钢；紫铜；焊接工艺；钎焊。

1引言

随着现代科学技术的发展，建造各种工程结构不仅需要对大量的金属材料进行焊接，也需要对非金属材料及异种金属材料进行焊接，碳钢与紫铜的复合结构在性能与经济上优优势互补而具有良好的应用前景，异种材料的焊接是工业生产中不可缺少的一门新技术。本文主要对碳钢与紫铜的焊接性能进行了分析，并针对焊接过程中将会遇到的问题提出可以通过调整焊缝的化学组成和控制线能量，正确选用焊接工艺参数以获得理想的焊接金相组织来解决产生气孔和裂纹，对于性质相差很大的碳钢和紫铜的焊接，可以在其结合部位的碳钢一侧表面上刷镀一层铜，从而改善焊接部位的性能。

2 什么是碳钢？

主要指力学性能取决于钢中的碳含量，而一般不添加大量的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢。碳钢也叫碳素钢，指含炭量WC小于2%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类，碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种；按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢；按脱氧方法可分为沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和特殊镇静钢（TZ）；按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC ≤ 0.25%）,中碳钢（WC0.25%—0.6%）和高碳钢（WC>0.6%）；按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。

一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。

3 什么是紫铜？

紫铜就是纯铜：纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。紫铜也就是纯铜,由于它的新鲜表面呈玫瑰色,氧化以后产生的氧化铜呈紫色,故称为紫铜.紫铜与其他金属相比,其导电性和导热性仅次于银,居第二位,它具有一定的强度和较好耐蚀性和良好的塑性,能加工成各种形状的半成品,用于电气和耐蚀零件上.

各种牌号的紫铜的代号都以"铜"字汉语拼音的第一个字母"T''来表示,根据其杂质含量的不同,分别为T1,T2,T3,T4.

紫铜的化学性质; 铜在20度时就能与氧起反应,使铜产生轻微的氧化,当温度达到100度时,铜表面就产生黑色的CuO,随着温度的提高,铜的氧化速度迅速增加. 紫铜对大气的腐蚀很稳定,因为铜表面形成一层保护膜,可以防止铜的进一步腐蚀,在氧,硝酸及其他氧化性的酸中,在盐酸溶液中,均容易被腐蚀,氨,氰化物,汞盐,氯化物等溶液均能引起铜的剧烈腐蚀.

紫铜的机械性能; 紫铜的塑性较高,强度一般,紫铜的机械性能与温度的关系;紫铜的强度随着温度的升高而降低,塑性指标在400--700度之间出现低塑性区,当温度超过700度以后,塑性又开始提高.

4 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。影响铜及铜合金焊接性的工艺难点主要有四项元素：一是高导热率的影响。铜的热导热率比碳钢大7~11倍，当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。二是焊接接头的热裂倾向大。焊接时，熔池内铜与其中的杂质形成低熔点共晶物，使铜及铜合金具有明显的热脆性，产生热裂纹。三是产生气孔的缺陷比碳钢严重得多，与要是氢气孔。四是焊接接头性能的变化。晶粒粗化，塑性下降，耐蚀性下降等。

5 碳钢与紫铜的焊接性

5.1低碳钢与紫铜的焊接性

5.1.1低碳钢与紫铜焊接工艺规范（图）

5.1.2低碳钢与紫铜的埋弧自动焊的工艺规范（图）

5.1.3低碳钢与紫铜的熔化极氩弧焊工艺规范（图）

5.1.4低碳钢与紫铜的埋弧自动焊的工艺规范（图）

5.2 钢与紫铜的焊接特点

5.2.1Fe与Cu的原子半径、点阵类型、晶格常数及外层电子数都比较接近，这对钢与紫铜之间的焊接比较有利。但是，钢与紫铜的熔化焊接还有一定的难度，主要如下：

(1).钢与铜的物理性能不同，熔点及线膨胀系数差异大。紫铜的线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接应力。

(2).铜的导热系数是钢的8倍多，熔池的冷却速度比钢要大得多，氢的扩散逸出和水的上浮条件更为恶劣，形成气空的敏感性增大。

(3).在焊缝或近缝区易产生热裂纹，影响接头的强度及气密性，这是焊接工艺中重点要解决的问题。由于钢与紫铜中含有—定量的杂质，如氧、硫、磷等。在焊接过程叫，这些杂质元素易形成各种低熔点的共晶体和脆性化合物而存于焊缝晶界处，严重削弱了金属在高温