铜及铜合金的焊接
一、铜及铜合金种类
工业纯铜称为紫铜。常用铜合金有黄铜(铜锌合金)、青铜两类。
在同和铜合金中焊接量最大的是纯铜和黄铜。青铜焊接多为铸件缺陷的焊补,在机械制造工业中白铜(铜镍合金)焊接应用较少。
1.紫铜的牌号和性能
根据含氧量的不同,紫铜可分为工业紫铜(牌号有T1、T2、T3、T4)、脱氧紫铜(TUP)和无氧紫铜(TU1、TU2)。紫铜熔点1083℃。
紫铜具有极高的导电性、导热性、优良的可塑性,在低温下紫铜仍能保持较高的塑性,因此在制冷设备中用得较多。但是,在400~700℃的高温下,紫铜的强度及塑性明显降低,这是它的缺点。
在退火状态(软状态)下的紫铜强度低、塑性高。经冷加工变形后(硬状态),强度提高,但塑性显著降低。紫铜的冷作硬化效应可由550~600℃的退火工序消除掉,使塑性得以完全恢复。
2.黄铜的牌号和性能
铜和锌的合金成为普通黄铜,其颜色随含锌量的增加由黄红色变成淡黄色。根据工艺性能、机械性能和用途的不同,黄铜可分为压力加工用黄铜和铸造黄铜。黄铜以字母H编号,普通黄铜H后的数字表示铜的平均含量,特殊黄铜在H后还要注明所加入主要元素的化学符号,然后在铜的平均含量后,列出所加入主要元素的平均含量,例如HMn58-2表示含铜量58%,含锰量2%的锰黄铜。
经冷加工(冲压、弯曲等)或焊接后的黄铜,由于存在内应力,在湿气、氨、海水等腐蚀介质的作用下容易发生腐蚀裂缝。为防止上述现象,冷加工或焊接后的黄铜必须进行退火,以消除内应力,退火温度为300~400℃。
3.青铜的牌号和性能
凡不以锌为主要组成而以锡、铝、硅、铅或铍等元素组成的铜合金称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。
青铜具有较高的机械性能、耐磨性、铸造性能和耐腐蚀性能。常用来制造各种耐磨、耐蚀的零件,如轴套、轴瓦、阀体、泵壳、涡轮等。
青铜可分为压力加工用的青铜和铸造用的青铜,在工业上应用较多的是铸造青铜。 青铜常以字母Q编号,字母后标以主要合金元素的化学符号及平均含量,并在最后还标出其他合金元素的平均含量,余量为铜。例如QSn3-7-5-1,表示含锡3%、锌7%、铅5%镍1%的锡锌铅镍青铜。
二、铜及铜合金的焊接性
1.紫铜的导热率高。常温下紫铜的导热系数比碳钢约大8倍,要把紫铜焊件局部加热到熔化温度比较困难,因此在焊接时要采用能量集中的热源。
2.铜及铜合金焊接时常会出现裂缝。裂缝的位置在焊缝、熔合线及热影响区。裂缝呈晶间破坏,从断面上可看到明显的氧化色。
焊接结晶过程中,微量氧与铜形成Cu2O,并与α铜组成低熔点共晶(α+Cu2O),其熔点为1064℃。铅不溶于固态铜,铅与铜生成熔点约326℃的低熔点共晶体。高温下的铜及铜合金接头在焊接内应力的作用下,在焊接接头的脆弱部位形成裂纹。另外,焊缝中的氢也可导致裂纹。
3.铜及铜合金的焊缝中常会出现气孔。纯铜焊缝金属中的气孔主要是由氢气引起的。当纯铜中溶解有CO气体时,也可能由水汽及由一氧化碳和氧反应生成的CO2气体引起气孔。
铜合金焊接时的气孔形成倾向比纯铜要大得多。一般气孔分布在焊缝中心及接近熔合线处。
4.纯铜及铜合金焊接时,存在着接头力学性能降低的倾向。在铜合金的焊接过程中会发生铜的氧化及合金元素的蒸发、烧损现象。低熔点的共晶及各种焊接缺陷导致焊接接头强度、塑性、耐蚀性及导电性降低。
三、铜及铜合金的焊接方法
铜及铜合金的焊接方法很多,如气焊、碳弧焊、焊条手工焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、等离子焊等。它们各有不同的应用场合,必须根据铜及铜合金的种类、焊件厚度、产品结构形状、生产条件、对焊接生产率、接头质量要求等加以选择。
四、铜和铜合金的焊接材料选择
铜及铜合金的焊接材料,主要指填充焊丝、焊条及焊粉。
1.填充焊丝 在气焊、碳弧焊、钨极氩弧焊时,需要手工添加填充焊丝。焊丝是按化学成分分类的,各种焊丝的编制方式是以“丝”字拼音的第一个字母“S”为牌号,“S”字后面用化学元素符号表示焊丝的主要成分,化学符号后面的数字表示顺序号。国产铜及铜合金焊丝的牌号及化学成分见表1。
表1 铜及铜合金焊丝牌号主要成分、性能及用途
2.焊粉 在气焊、碳弧焊时,熔池金属的表面容易氧化生成Cu2O,由于氧化亚铜的存在,往往引起焊缝气孔、裂纹、夹渣等缺陷。
向焊缝熔池导入铜焊粉后,由铜焊粉中的化合物与氧化亚铜反应,促使氧化亚铜还原成易熔的液体熔渣,它浮于熔池及热影响区表面,以防止焊缝金属免受氧化。
常用铜焊粉的牌号是气剂301,焊缝的组成为硼酸76~79%、硼砂16.5~18.5%、磷酸铝4~5.5%,熔点650℃。
铝青铜气焊、碳弧焊时可采用气剂401,其熔点为560℃。气剂401呈碱性反应,能有效破坏Al2O3薄膜,但该焊粉吸湿、潮解性强,容易引起接头腐蚀,因此在焊后必须将焊缝表面及其两侧的熔渣、残留的焊粉彻底清洗干净。
3.焊条 铜焊条分为紫铜、青铜两类,目前应用较多的是青铜焊条。青铜焊条除了可以用来焊接各种青铜、黄铜外,还可以用来堆焊轴承等承受金属间摩擦、磨损和耐海水腐蚀的零件,以及容易产生裂缝的铸铁件的焊补等。
铜107为紫铜焊条。这种焊条对大气及海水等介质具有良好的耐腐蚀性,常用于脱氧紫铜及无氧紫铜的焊接。
青铜焊条的种类有铜207、铜227、铜237等。铜207是焊接硅青铜用的焊条,也可用以焊接黄铜,其强度、耐腐蚀性及耐磨性均比铜107好,但在350℃以上的温度下,有热脆性倾向,容易引起焊缝裂纹。
铜227是比较通用的一种铜焊条,它可用于磷青铜、黄铜等材料的焊接,又可用于耐腐蚀、耐磨工件(如磷青铜轴衬、船舶螺旋桨叶片等)的堆焊。
铜237可用于焊接铝青铜,用这种焊条焊材的焊缝中合金元素含量高,可以说是强度、耐磨性及耐腐蚀性最高的一种铜焊条。其焊条的通用性也比较大,主要用于铜合金制的各种化工机械、海水散热器、阀门的焊接,水泵、气缸堆焊及船舶螺旋桨的修补上。
铜307可用于焊接镍青铜,它具有良好的耐热、耐腐蚀性能,常用于热交换器、锅炉及化工设备等产品的焊接、堆焊上。
表2 铜及铜合金焊条的牌号及用途
五、紫铜的焊接
1.紫铜的气焊
紫铜气焊的接头形式以对接为最好。因清除焊件缝隙中的熔渣、残留焊缝很困难,尽量不采用搭接、角接、T接。
气焊5mm以上厚度的紫铜板时要开坡口。
紫铜气焊时,常采用SCu-1(丝202)、SCu-2(丝201)焊丝及铜焊粉。
紫铜气焊时要预热,薄板、小尺寸焊件的预热温度为400~500℃,厚度、体积比较大的焊件,预热温度为600~700℃。
紫铜气焊时,常采用左焊法,这有利于防止金属过热和晶粒长大的倾向;但是,当焊件
厚度大于6mm时,则采用右焊法。右焊法能以较高的温度加热紫铜焊件,此外便于观察熔池、操作方便。
紫铜气焊时,采用比较快的速度单面、单层焊,即使比较厚的焊件,也不要采用过多的焊接层数,因为多次焊接加热容易引起热影响区晶粒长大,且增大焊接变形量。焊接过程中偶尔中断时,焊枪应缓慢地离开熔池,防止焊缝突然冷却而产生裂缝、气孔等缺陷。
为获得细晶粒、高韧性的紫铜焊接接头,焊后可以对紫铜件进行锤击及局部、整体退火处理。
残留在焊缝表面及附近两侧的熔渣、焊粉会引起焊接接头的腐蚀,所以要在焊后的3~6小时内,仔细地清洗掉。
2.紫铜的钨极氩弧焊
紫铜的钨极氩弧焊操作灵活方便,焊接变形小,接头质量高,因此特别适用于中、薄板紫铜结构的焊接。
紫铜氩弧焊用的焊丝有SCu-2(丝201)、SCu-1(丝202)铜焊丝,SCuSi硅青铜焊丝,锡磷青铜丝(QSn4-0.3)。对于焊接质量不高的产品,也可用不含脱氧元素的普通紫铜丝,但需添加气剂301铜焊粉。
在焊接前,先检查设备状况,再根据焊件厚度、喷嘴孔径调节好氩气流量、钨极伸出长度(一般在6~10mm之间)、焊接电流等参数,焊枪喷嘴与焊件距离约在8~15mm之间。
焊炬与焊件的角度,应便于观察熔池及添加填充焊丝。平对接焊时,焊炬与焊件间的夹角为70~80°,角接焊时则为35~45°。焊丝与焊件间的夹角为10~20°。
钨极手工氩弧焊时,一般采用左向焊法。焊炬应均匀、平稳地向前做直线运动,并保持恒定的电弧长度。在不添加焊丝的对接焊时,弧长为1.0~2.0mm;添加焊丝的对接焊时,弧长在4~7mm之间。焊炬移动时,可作简短的停留,当达到一定的熔深后,再添加焊丝、向前移动。
焊丝送进过程中,应严防触及钨极。如发现熔池中混入较多杂质时,应停止再填丝,并将电弧适当拉长,用焊丝挑去熔池表面的杂质。
若在装配好的接头中发现局部处有较大的间隙时,应快速地向熔池中添加焊丝,然后移动焊炬。