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云南焊工培訓(xùn):銅及其與異種材料的焊接

[日期:2022-03-08]   來(lái)源:云南技能培訓(xùn)網(wǎng)  作者:云南技能培訓(xùn)網(wǎng)   閱讀:1033次

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。