铜及铜合金的焊接介绍

铜及铜合金的焊接介绍

1铜及铜合金的分类

纯铜是紫红色，俗称紫铜。在纯铜的基础上加入不同的合金元素，可以成为不同性能的铜合金，常用的铜合金有黄铜、青铜及白铜等。

2铜及铜合金的焊接性

铜及铜合金经辗压或拉伸成不同厚度的铜板及铜合金板，不同规格的管子或各种不同形状的材料，都可以用焊接的方法制成各种不同的产品。铸造的铜及铜合金是通过模型直接浇铸成需要形状的部件或产品，焊接只用于修复或补焊。在焊接与补焊中易产生下列不良影响：2.1难熔合：铜及铜合金的导热性比钢好的多，铜的导热系数是钢的7倍，大量的热被传导出去，母材难以象钢那样局部熔化，对厚大铜及铜合金材料的焊接应焊前预热，采用功率大，热量集中的焊接方法进行焊接或补焊为宜。

2.2易氧化：铜在常温时不易被氧化。但随着温度的升高，当超过300℃时，其氧化能力很快增大，当温度接近熔点时，其氧化能力最强，氧化的结果生成氧化亚铜（Cu2O）。焊缝金属结晶时，氧化亚铜和铜形成低熔点（1064℃）结晶。分布在铜的晶界上，加上通过焊前预热，并采用功率大，热量集中的焊接方法使被焊工件热影响区很宽，焊缝区域晶粒较粗大，从而大大降低了焊接接头的机械性能，所以铜的焊接接头的性能一般低母材。

2.3易产生气孔：铜导热性好，焊接熔池，比钢凝固速度快，液态熔池中气体上浮的时间短来不及逸出也会形成气孔。

2.4易产生热裂纹：铜及铜合金焊接时在焊缝及熔合区易产生热裂纹。形成裂纹的主要原因：2.4.1铜及铜合金的线膨胀系数几乎比低碳钢大50％以上，由液态转变到固态时的收缩率也较大，对于刚性大的工件，焊接时会产生较大的内应力。

2.4.2熔池结晶过程中，在晶界易形成低熔点的氧化亚铜—铜的共晶物（Cu＋Cu2O）。

2.4.3凝固金属中的过饱和氢向金属的显微缺陷中扩散，或者它们与偏析物（如Cu2O）及应生成的H2O在金属中造成很大的压力。

2.4.4母材中的铋、铝等低熔点杂质在晶界上形成偏析。

2.4.5施焊时，由于合金元素的氧化及蒸发、有害杂质的侵入，焊缝金属及热影响区组织的粗大、加上一些焊接缺陷等问题，使焊接接头的强度、塑性、导电性、耐腐蚀性等往往低于母材所致。

3焊接方法的选择

选择铜及铜合金的焊接方法，主要应考虑被焊工件的焊接性、焊件的材质、厚度、生产条件、空间位置及焊接质量要求，表1可供选择焊接方法时参考。

表1 常用铜及铜合金的焊接性及适用的厚度范围

4焊接材料

铜及铜合金所用焊接材料的种类和应用范围见表2、表3、表4。

表2 铜及铜合金焊丝的牌号和用途

钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等，能使读者一看就懂，一看就能比照着去焊接，焊接后有所体会和提高。

例1焊条电弧焊补焊大型铸铜件

变压器调整机构机头系大型铸铜件，其成分（％）为：Cu66.9、Al5.6、Mn1.6、Zn22.1由于浇铸温度偏低，出现铸造缺陷，造成缩孔一处（面积约750mm2，深25mm）、裂纹一条（深8mm、长140mm），详见图1。

图1 缺陷位置示意图

由于铸件尺寸厚大、受热面积大、散热快，补焊时应集中热源，采用焊条电弧焊进行补焊，具体补焊工艺如下：

1.1坡口制备

裂纹处开60°～70°V型坡口；缩孔处用扁铲铲除杂质后开U型坡口。坡口两侧15mm 处清理干净，露出金属光泽。

1.2焊条及焊机的选择

选用Ф4mm的铜107焊条，焊前经250℃，2小时烘干。焊机选用AX1-500型直流焊机，直流反接。

1.3补焊工艺

将工件放入炉中加热至400℃，出炉后置于平焊位置。先焊裂纹，用短弧施焊，第一层焊接电流为170A，从裂纹的两端往中间焊，焊接时焊条作往复运动，焊速要快，第二层的焊接电流比第一层略小（160A），焊条作适当的横向摆动，使边缘熔合良好。焊缝略高出工件平面1mm，整条焊缝连续焊成，焊速越快，质量越好。

缩孔处因呈U型坡口状，填充金属量较大，故采用堆焊方法完成，焊道顺序见图2。堆焊至高出工件平面1mm即可。焊接电流第一层大些，其余层小些（大的160A，小的150A）。各层之间要严格清渣。

图2 焊接顺序图

整个焊接过程中，搬动和翻动焊件要注意，因焊件处于高温状态，容易变形、损坏。

1.4焊后处理

焊后用平头锤敲击焊缝，消除应力，使组织致密，改善机械性能。焊件置于室内自然冷却即可。经机械加工除焊缝颜色与母材略有不同外，未发现有裂纹、夹渣、气孔等缺陷。

例2氧-乙炔焊焊接δ=2mm薄紫铜板

高炉循环冷却水池止水带为δ=2mm薄紫铜板组对焊接而成。施焊时因紫铜导热性极好，要么由于温度不够形不成熔池，造成焊道上的金属不熔合或熔合不良；要么就是温度过高，焊接区域熔化了一大片，形成烧穿或焊瘤等焊接缺陷，薄紫铜板的焊接是项比较“棘手”的难题。

根据上述情况采用“黄铜钎焊”的焊接方法可以很好的解决这一难题。焊前的准备工作和焊接时操作工艺如下：

（1）将焊缝的两侧各60mm做去污处理并用钢丝刷打磨露出金属光泽。

（2）焊件组对不开坡口，组对间隙应＜1mm。

（3）采用Ф3mm硅黄铜焊丝（丝224）与焊剂301焊剂。

（4）将被焊处垫平（垫板采用较平钢板，要求厚些，以防热变形）。

（5）预热，两名焊工采用中号焊枪，中性焰同时加热施焊处，温度达500～600℃。一人焊接，另一人仍然在施焊位置的前方继续加热，以保证施焊过程的稳定进行。

（6）预热的的焊工采用中性焰，施焊焊工采用微氧化焰。

（7）定位焊与正式焊接要连续进行，定位的间距以60～80mm为宜，定位焊点应小些。

（8）加热与施焊时要密切注意焊接区域温度的变化，防止过高与过低，一般目测以暗红色（550～600℃）为宜。

（9）焊嘴的摆动要平稳，并匀速地向前移动。火焰的焰芯（白点）要高于熔化池5～8mm。火焰的轮廓应始终笼罩着熔池，避免与空气接触。保证黄铜液很自然、顺利地漫延到焊缝的两侧，并浸入到间隙中去。

（10）为了使焊接接头的组织结晶细密，提高强度与韧性，焊后要用小锤适当的敲打焊肉。

（11）焊后做致密性能检验。

例3黄铜合金轴承瓦的氧-乙炔补焊

黄铜是铜和锌的合金，锌的熔点仅419℃，沸点906℃，因此焊接或补焊黄铜时，在焊接的高温下，锌熔化后即蒸发，不但操作困难，还很容量使焊肉产生气孔，并且影响焊工身体健康。锌的蒸发使黄铜的力学性能下降。采用含硅的焊接材料可以有效的阻止锌的蒸发又防止了氢的侵入。各种机械设备上的黄铜合金轴承瓦在长期运转中易磨损，用氧-乙炔焰补焊，机加工方法进行修复能收到较好的效果，其工艺方法如下。

1.1焊前准备

1.1.1焊接材料

选择焊接性及耐磨性良好的丝221黄铜焊丝，铜钎剂301。

1.1.2设备及工具氧-乙炔焊炬及气带、氧和乙炔气瓶、钢丝刷、炭火炉等。

1.1.3铜瓦拆卸时要按组（对）打上钢印标记。

1.2施焊

施焊铜瓦放在炭火炉中预热至500℃左右，不冒油烟为止，取出后用钢丝刷刷去铜瓦表面上的杂质和氧化物，按铜瓦磨损的程度来决定补焊厚度（但必须高出机加工余量1mm左右）。施焊时采用左焊法，焊枪与铜瓦保持70°～80°夹角，焊丝与焊枪保持40°～50°夹角，起焊时用焊枪火焰加热被焊处至亮红色，待加热部位的铜瓦表面呈现“出汗”状态，即铜瓦表面上处于似熔非熔化状态时，立即用蘸有铜钎剂的铜焊丝在其表面磨擦，掌握好焊接温度，如温度过高，易造成焊接熔池沸腾，铜瓦合金过烧氧化，使焊缝产生气孔，焊丝熔化