云南焊工培訓(xùn)：銅及其與異種材料的焊接
銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、延展性及一定的強(qiáng)度等特性。在純銅（紫銅）中添加10余種合金元素，形成固溶體的各類(lèi)銅合金，如加鋅為黃銅；加鎳為白銅；加硅為硅青銅；加鋁為鋁青銅等。
銅及銅合金可用釬焊、電阻焊等工藝方法實(shí)現(xiàn)連接，在工業(yè)發(fā)達(dá)的今天、熔焊已占據(jù)主導(dǎo)地位。用焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊等工藝方法容易實(shí)現(xiàn)銅及銅合金的焊接。影響銅及銅合金焊接性的工藝難點(diǎn)主要有四項(xiàng)元素：一是高導(dǎo)熱率的影響。銅的熱導(dǎo)熱率比碳鋼大7-11倍，當(dāng)采用的工藝參數(shù)與焊接同厚度碳鋼差不多時(shí)，則銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合。二是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時(shí)，熔池內(nèi)銅與其中的雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產(chǎn)生熱裂紋。三是產(chǎn)生氣孔的缺陷比碳鋼嚴(yán)重得多，主要是氫氣孔。四是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等。
1、紫銅的焊接
焊接紫銅的方法有氣焊、手工碳弧焊、焊條電弧焊和手工氬弧焊等方法，大型結(jié)構(gòu)也可采用自動(dòng)焊。
（1） 紫銅的氣焊焊接最常用的是對(duì)接接頭，搭接接頭和丁字接頭盡量少采用。氣焊可采用兩種焊絲，一種是含有脫氧元素的焊絲，如絲201、202；另一種是一 般的紫銅絲和母材的切條，采用氣劑301作助熔劑。氣焊紫銅時(shí)應(yīng)采用中性焰。
（2）紫銅的焊條電弧焊接。焊件厚度大于4毫米時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在400~500℃。用銅107焊條焊接，電源應(yīng)采用直流反接。焊接時(shí)應(yīng)當(dāng)用短弧，焊條不宜作橫向擺動(dòng)。焊條作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，可以改善焊縫的成形。長(zhǎng)焊縫應(yīng)采用逐步退焊法。焊接速度應(yīng)盡量快些。多層焊時(shí)，必須徹底清除層間 的熔渣。焊接應(yīng)在通風(fēng)良好的場(chǎng)所進(jìn)行，以防止銅中毒現(xiàn)象。焊后應(yīng)用平頭錘敲擊焊縫，消除應(yīng)力和改善焊縫質(zhì)量。
（3）紫銅的手工氬弧焊。在紫銅手工氬弧焊時(shí)，采用的焊絲有絲201(特制紫銅焊絲)和絲202，也采用紫銅絲，如T2。焊前應(yīng)對(duì)工件焊接邊緣和焊絲表面的氧化膜、油等臟物都必須清理干凈，避免產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。清理的方法有機(jī)械清理法和化學(xué)清理法。
對(duì)接接頭板厚小于3毫米時(shí)，不開(kāi)坡口；板厚為3～10毫米時(shí)， 開(kāi)V形坡口，坡口角度為60o~70o；板厚大于10毫米時(shí)，開(kāi)X形坡口，坡口角度為60o~70o；為避免未焊透，一般不留鈍邊。根據(jù)板厚和坡口尺寸，對(duì)接接頭的裝配間隙在0.5～1.5毫米范圍內(nèi)選取。
紫銅手工氬弧焊，通常是采用直流正接，即鎢極接負(fù)極。為了消除氣孔，保證焊縫根部可靠的熔合和焊透，必須提高焊接速度，減少氬氣消耗量，并預(yù)熱焊件。板厚小于3毫米時(shí)，預(yù)熱溫度為150~300℃；板厚大于3毫米時(shí)，預(yù)熱溫度為350~500℃。預(yù)熱溫度不宜過(guò)高，否則使焊接接頭的力學(xué)性能降低。
還有紫銅的碳弧焊，碳弧焊使用的電極有碳精電極和石墨電極。紫銅碳弧焊所用的焊絲和氣焊時(shí)一樣，也可用母材剪條，可用氣焊紫銅的助熔劑，如氣劑301等。
2、黃銅的焊接
黃銅焊接的方法有：氣焊、碳弧焊、焊條電弧焊和氬弧焊。
（1）黃銅的氣焊。由于氣焊火焰的溫度低，焊接時(shí)黃銅中鋅的蒸發(fā)比采用電焊時(shí)少，所以在黃銅焊接中，氣焊是最常用的方法。
黃銅氣焊采用的焊絲有：絲221、絲222和絲224等，這些焊絲中含有硅、錫、鐵等元素，能夠防止和減少熔池中鋅的蒸發(fā)和燒損，有利于保證焊縫的性能和防止氣孔產(chǎn)生。氣焊黃銅常用的熔劑有固體粉末和氣體熔劑兩類(lèi)，氣體熔劑由硼酸甲脂及甲醇組成；熔劑如氣劑301。
（2）黃銅的焊條電弧焊。焊接黃銅除了用銅227及銅237外，也可以采用自制的焊條。
黃銅焊條電弧焊時(shí)，應(yīng)采用直流電源正接法，焊條接負(fù)極。焊前焊件表面應(yīng)作仔細(xì)清理。坡口角度一般不應(yīng)小于60o~70o，為改善焊縫成形，焊件要預(yù)熱 150~250℃。操作時(shí)應(yīng)當(dāng)用短弧焊接，不作橫向和前后擺動(dòng)，只作直線移動(dòng)，焊速要高。與海水、氨氣等腐蝕介質(zhì)接觸的黃銅焊件，焊后必須退火，以消除焊 接應(yīng)力。
（3）黃銅的手工氬弧焊。黃銅手工氬弧焊可以采用標(biāo)準(zhǔn)黃銅焊絲：絲221、絲222和絲224， 也可以采用與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。用交流焊接時(shí)，鋅的蒸發(fā)比直流正接時(shí)輕。通常焊前不用預(yù)熱，只有板厚相差比較大時(shí)才預(yù)熱。焊接速度應(yīng)盡可能快。焊件在焊后應(yīng)加熱300~400℃進(jìn)行退火處理，消除焊接應(yīng)力，以防止焊件在使用過(guò)程中裂縫。
（4）黃銅碳弧焊。黃銅碳弧焊時(shí)，根據(jù)母材的成分選用絲221、絲222、絲224等焊絲，也可用自制的黃銅焊絲施焊。焊接可以采用氣劑301等作熔劑。焊接應(yīng)短弧操作，以減少鋅的蒸發(fā)和燒損。
直流TIG焊工藝方法廣泛應(yīng)用于銅及銅合金的焊接，焊風(fēng)成形好，內(nèi)外質(zhì)量?jī)?yōu)良，在氬氣的保護(hù)下，熔池純凈，氣孔少，熱裂影響小，操作易掌握。厚度≤4mm 時(shí)可不用焊前預(yù)熱，直接用氬氣預(yù)熱，待熔池溫度接近600℃時(shí)，可加填充焊絲熔化母材，實(shí)現(xiàn)焊接。厚度大于4mm的銅材，純銅應(yīng)預(yù)熱400~600℃。銅 合金焊接預(yù)熱200~300℃。300TSP，315TX直流TIG焊機(jī)可焊接純銅、硅青銅、磷青銅、黃銅、白銅等銅合金。300WP5、 300/500WX4交直流兩用TIG焊機(jī)可用交流TIG焊接鋁青銅（用交流方波清除表面氧化膜）及用直流TIG焊接上述銅材。
近年來(lái)，采用MIG方法焊接銅及銅合金的施工越來(lái)越多，尤其對(duì)于厚度≥3mm的鋁青銅、硅青銅和白銅最好選用MIG焊方法。厚度3~14mm 或>14mm的銅及銅合金幾乎總要選用MIG焊，因?yàn)槿鄯笮矢摺⑷凵畲�、焊速快（一般為T(mén)IG焊的3~4倍），實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的經(jīng)濟(jì)效益 要求。銅材施焊前均應(yīng)達(dá)到預(yù)熱溫度要求（純銅400~600℃，銅合金200~300℃），焊絲與母材化學(xué)充分相似，氬氣純度≥99.98%
3、不銹鋼與銅及其合金焊接方法
不銹鋼與銅及其合金焊接主要問(wèn)題是焊縫區(qū)及熔合區(qū)易產(chǎn)生裂紋和熱影響區(qū)滲透裂紋，焊接填充金屬選用不當(dāng)更是如此。
如采用奧氐體不銹鋼作填充金屬材料，由于銅也是奧氐體組織形成元素，焊縫仍為奧氐體組織在結(jié)晶時(shí)晶粒晶粒間存在一層低熔點(diǎn)的液態(tài)銅，很容易引起裂紋，
當(dāng)改用蒙乃爾合金作填充金屬材料（如Ni70%+Cu30%）時(shí)由于焊縫中含鎳較高，能增加銅在奧氐體組織中的熔介度，可以減少銅的有害作用，使熱裂紋傾向降低。
又如采用某些銅合金（如鋁青銅）和紫銅作填充金屬材料時(shí)，由于焊縫中含銅量較高，故結(jié)晶時(shí)奧氐體晶粒間低熔點(diǎn)的銅液較多，有一定愈合作用，所以熱裂紋傾向較少，
但焊縫中熔入的Fe,M,Cr等使焊縫變脆，沖擊韌性降低，并且在不銹鋼一側(cè)熱影響區(qū)中仍可能產(chǎn)生滲透裂紋，所以只有在對(duì)接頭機(jī)械性能要求不高時(shí)，才可以采用這類(lèi)填充金屬材料。
由于鎳無(wú)論在液態(tài)或固態(tài)都能與銅無(wú)限互溶，因此焊接時(shí)采用純鎳（Ni≥90%,Fe≤8%）做填充金屬材料，能極大地排除銅的有害作用，而且還能有效地防止?jié)B透裂紋，是最好填充金屬材料。
焊接工藝：
1． 選用純鎳作填充金屬絲，也可用鑄鐵焊條Z308去除藥皮擦干凈作填充金屬絲。
2． 在不銹鋼或銅上（接觸焊面）堆焊一層過(guò)渡層，然后進(jìn)行焊接。
3． 兩工件焊接邊緣，需去除氧化層，用砂紙打磨至光亮金屬為止。
4． 由于銅散熱快，鎳極電弧應(yīng)偏銅的一方稍多，只利于焊縫熔合良好。
5． 采用交流電源焊接，可減少金屬熔化時(shí)的蒸發(fā)，尤其不銹鋼與鋁青銅的焊接。
6． 焊接電流可根據(jù)工件厚薄和大小，而進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。
7． 氬氣流量，為12～15升/分，最好選用高純氬。
4、銅與鋼的焊接
方法一：用氣焊，加紫銅焊絲。
方法二：用鎢極氬弧焊，加紫銅焊絲。
方法三：用J507焊條，外纏Φ1.25的純銅絲（若是漆包線必須清理干凈），焊前經(jīng)350℃烘焙2h，降至100℃時(shí)隨用隨取。焊前將工件清理干凈，用氧乙炔火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度為650～700℃，焊接過(guò)程中應(yīng)保持此溫度。焊條選Φ3.2mm的，電流選上限值，焊速為5～225px/min，直流反接法施焊。
為保證焊透，電弧在銅板一側(cè)停留稍長(zhǎng)時(shí)間，利用電弧吹力使銅和鋼充分均勻混合。根據(jù)板材厚度決定纏繞的疏密程度，一般間距為2～3mm，銅絲不能和焊芯及鉗口相接觸。
按原理來(lái)說(shuō)，銅和大多數(shù)金屬無(wú)限互溶。焊接時(shí)采用紫銅線或者黃銅焊絲都可以。以紫銅焊接為例，由于紫銅導(dǎo)熱較快，如果你的銅板較厚的話，銅板就要先預(yù)熱到200~300度，采用氣焊或者氬弧焊焊接都可以
由于鋼板的熔點(diǎn)比紫銅高近500度，所以焊接時(shí)，電弧先偏向鋼板一側(cè)，使電弧熱量偏重于鋼板，等鋼板一側(cè)形成熔池后再把電弧稍往紫銅一側(cè)傾斜，往熔池送焊絲即可。
5、銅與鋁的焊接
鋁與銅的焊接特點(diǎn)
鋁與銅可以用熔焊、壓焊和釬焊，其中以壓焊應(yīng)用最多。
熔焊的主要困難是鋁和銅的熔點(diǎn)相差很大(達(dá)423°C)，焊接時(shí)很難同時(shí)熔化。高溫下鋁強(qiáng)烈氧化，焊接時(shí)需有防止氧化措施和清除熔池中的氧化物。鋁和銅在液態(tài)下無(wú)限互溶，在固態(tài)下有限固溶。鋁和銅能形成多種由金屬間化合物為主的固溶體相，其中有AlCu2、Al2Cu3、AlCu、Al2Cu等。鋁-銅合金中銅含量在12%～13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下時(shí)，綜合性能最好，因此熔焊時(shí)應(yīng)設(shè)法控制焊縫金屬的鋁銅合金中銅的含量不超過(guò)這個(gè)范圍，或者采用鋁基合金。
鋁和銅均為塑性很好的金屬，因此兩者很適于用壓焊焊接，尤其是冷壓焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊等。
主要焊接工藝要點(diǎn)如下：
熔焊： 鋁與銅組合最好采用氬弧焊。焊時(shí)，電弧中心要偏向銅板一側(cè)，偏移量相當(dāng)于厚度的1/2，以達(dá)到兩側(cè)同時(shí)熔化。可采用純鋁或鋁-硅作填充焊絲。焊縫金屬中加入合金元素可改善鋁銅熔焊接頭質(zhì)量，加入鋅、鎂能限制銅向鋁中過(guò)渡；加入鈣、鎂能使表面活化、易于填滿樹(shù)枝狀結(jié)晶的間隙；加入鈦、鋯、鉬等難熔金屬有助于細(xì)化組織；加入硅、鋅能減少金屬間化合物。加入方法可在焊前涂到銅的待焊表面上。
采用埋弧焊時(shí)，接頭形式如圖1所示。電弧與銅件坡口上緣的偏離值l=(0.5～0.6)δ，δ為焊件厚度。銅側(cè)開(kāi)J形坡口，鋁側(cè)為直邊。在J形坡口內(nèi)預(yù)置φ3mm的鋁焊絲。當(dāng)工件厚度為10mm時(shí)，采用焊絲直徑φ2.5mm，送絲速度332m·h-1，焊接電流400～420A，電弧電壓38～39V，焊接速度21m·h-1。焊后焊縫金屬中w(Cu)在8%～10%范圍，可得到滿意的接頭力學(xué)性能。
壓焊：（1）摩擦焊。棒料對(duì)接時(shí)，焊前需對(duì)工件退火，銼平接合表面，并盡快焊接，以免沾污或重新生成氧化膜。摩擦焊加熱溫度應(yīng)低于鋁銅共晶溫度(548°C)，一般控制在460～480°C。這樣既能防止產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，又能保證有足夠的塑性變形。
板料對(duì)接可以采用攪拌摩擦焊，只要焊接參數(shù)選擇合適，也能獲得良好的焊接接頭，以板厚為2mm的鋁合金5A06(LF6)+純銅T1對(duì)接焊為例，在攪拌頭轉(zhuǎn)速375～1180r·min-1，焊接速度30～150mm·min-1較寬范圍內(nèi)焊接都能獲得良好的焊縫成形。其中以轉(zhuǎn)速1180r·min-1，焊接速度30mm·min-1時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到297～62MPa，是鋁合金5A05(314MPa)的95%。
另一例子頗有特色，板厚為4mm的5A05+T2對(duì)接攪拌摩擦焊，焊接時(shí)把純銅T2位于前進(jìn)側(cè)，攪拌頭的攪拌針偏向鋁合金5A05側(cè)0.9mm，焊前預(yù)熱200°C，以攪拌頭轉(zhuǎn)速為1250r·min-1，焊接速度為40mm·min-1進(jìn)行焊接，同樣獲得良好的焊縫成形。
（2）電阻閃光焊和儲(chǔ)能對(duì)焊 鋁-銅閃光對(duì)焊和電容儲(chǔ)能對(duì)焊都是依靠提高頂鍛速度和足夠大的頂鍛力，同時(shí)嚴(yán)格控制有電頂鍛時(shí)間，將已形成的金屬間化合物隨液態(tài)金屬一起擠出接口之外，使脆性層盡量的薄和不連續(xù)，來(lái)保證接觸面處產(chǎn)生較大塑性變形。例如：閃光對(duì)焊時(shí)，采用大電流(比焊鋼時(shí)大一倍)、高送料速度(比焊鋼時(shí)高4倍)，高壓快速頂鍛(100～300mm·s-1)和極短的通電頂鍛時(shí)間(0.02～0.04s)。有時(shí)為了防止產(chǎn)生脆性化合物，事先在銅表面上鍍上鋅、鋁或銀釬料。
真空擴(kuò)散焊：鋁-銅真空擴(kuò)散焊可獲得導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能都很好的牢固接頭。焊時(shí)不需加中間過(guò)渡層，其主要焊接參數(shù)為：真空度6.67×10-3Pa，焊接溫度500～520°C，壓力9.8MPa，時(shí)間10min。詳見(jiàn)機(jī)械工業(yè)出版社出版的《焊接工程師手冊(cè)》第五篇第5章。
釬焊：在電器元件制造中經(jīng)常采用鋁-銅釬焊，詳見(jiàn)機(jī)械工業(yè)出版社出版的《焊接工程師手冊(cè)》第五篇第10章。
熔焊-釬焊：熔焊-釬焊是熔焊和釬焊聯(lián)合用于鋁-銅接頭的一種焊接技術(shù)。通常是對(duì)銅用釬焊，即在銅的待焊表面先搪一層鋅基釬料或鍍一層50～60μm的鋅層。然后與鋁進(jìn)行熔焊，只熔化鋁一側(cè)。如果用氣焊，則用CJ401焊劑和純鋁焊絲進(jìn)行焊接；用鎢極氬弧焊時(shí)，只需填充鋁焊絲。
