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铜及铜合金的焊接工艺
添加时间:2014-12-13 浏览次数: 2929

  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。

  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。

  现将6例焊接铜及铜合金的方法奉献给大家。焊接方法包括焊条电弧焊、氧-乙炔焊、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。


  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。


  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,焊丝熔化后形成熔球滚走与母材不熔合现象。最佳焊接温度应是焊丝熔化后流动性很好,与母材熔合到一起,并能控制熔池的大小、宽度与焊道的高度保持一致。

  施焊时采用微氧化焰,火焰焰芯要尖,焊枪只能上下跳动,不宜作横向摆动,应控制熔池不要过大,一般为焊丝直径的2~2.5倍为宜。焊丝与焊枪配合要得当,焊丝以点焊方式不间断地送入熔池,即焊丝末端要始终在火焰外焰内,保持红热状态,一个熔池形成后,立即向熔池内点一滴铜水,随即焊枪向前推移,焊丝退出,一个焊点叠一个焊点地向前施焊,随着焊接温度的升高,焊接速度和点送焊丝的速度也应逐渐加快。焊缝接头时,应在中断处退后10mm处开始接头焊接,使焊缝金属接头质量好,焊道平整美观,并注意在施焊中不能间断使用钎剂。

  施焊顺序是先从铜瓦纵向的边缘开始往里一条焊缝叠一条焊缝地堆焊,因黄铜熔化后流动性好,所以每焊一道焊缝时都应将铜瓦填平, 一直焊到中间,见图3。然后再从另一边缘开始往里连续堆焊,与已焊完的前一半焊道接上为止。每条焊道要求笔直平整、高度一致,相互搭接焊道宽度的2/3,不得有夹渣、气孔、熔合不良、沟槽、缺焊肉等现象。最后将铜瓦立起来再把两个半圆弧面上的边缘处各种补焊一条焊道(图4),以满足加工要求尺寸。

  1.3 注意事项及焊后效果

  1.3.1 施焊前铜瓦应垫牢,防止在施焊时滚动, 以免烫伤。

  1.3.2 焊接时由于锌的蒸发,操作者应戴口罩, 并注意通风或在上风处施焊。

  采用氧-乙炔焰补焊,机加工修复铜合金轴承瓦的方法简便易行、操作方便,能降低成本70%以上,此方法值得推广。

  例4 熔化极半自动氩弧焊(MIG焊)焊接Ф273mm×12mm黄铜管与黄铜(H62)管的对接

  采用焊接热效率高,焊缝质量好的熔化极半自动氩弧焊能收到较好的效果,具体工艺如下:

  1)为保证铜管连续焊接,自制转胎、卡具一套,该转胎能按焊接要求,组对管件并转速可调。

  2)黄铜液态金属流动性大,焊缝成形差,焊接时易产生烧穿、焊瘤、熔合不良等缺陷,采用衬环可防止上述缺陷。衬环外径应小于被焊黄铜管内径1mm,尽量紧配合,衬环尺寸为宽×高=40mm×(4~6mm),材质为黄铜或不锈钢均可。

  3)焊接设备:NB-500型焊机,氧-乙炔焊设备、氩气等。

  4)焊接材料:Ф1.2mm青铜焊丝(QSi3-1)。

  5)坡口:坡口组对尺寸为85°,不留钝边, 不留间隙,管坡口内外两侧30mm范围机械清理, 露出金属光泽。

  6)预热:用氧-乙炔气火焰将焊接局域加热到300℃左右,并每间隔100mm,定位焊一点, 定位焊两端用角向砂轮打磨成斜坡状。

  7)施焊:焊接电流200A左右,电弧电压24 ~25V,氩气流量18L/min。焊丝与管件位置见图5所示。

  打底焊时,焊丝对准焊缝中心,焊丝做小幅度反月牙形摆动。填充与盖面焊时焊丝仍作反月牙摆动,并在坡口两侧稍加停留(1~2s),防止坡口两端出现夹角,而产生夹渣、熔合不良等缺陷。

  8)每道焊口应连续焊完,并控制层间温度不得低于300℃。

  9)焊后将工件(焊接区域)重新加热到400℃左右,保温缓冷。

  10)施焊时要垫好管件。不得在坡口以外管件上乱打火引弧,搭接线应夹紧。

  例5 紫铜管的手工钨极氩弧焊

  某单位在设备安装中有6个Φ180mm×10mm 紫铜管(牌号T2)焊口需要焊接,采用手工钨极氩弧焊方法取得好效果,其焊接工艺方法如下:

  1.1 焊前准备

  1.1.1 焊接设备为WSE-350型交直流氩弧焊机, 直流正接。焊接材料选用紫铜焊丝(丝201), 直径为3mm。氩气纯度≥99.96% 。

  1.1.2 坡口组对型式见图6,组对时不留间隙。

  1.1.3 铜管的焊接区域与铜焊丝不得有油污、氧化层、水份等,并露出金属光泽。

  1.1.4 焊接参数:钨极:Φ3mm铈钨极,喷嘴:Φ14mm,焊接电流160~180A,氩气流量:15L/min。

  1.1.5 预热:由于紫铜的导热系数和热膨胀系数较大,又具有热脆性,所以焊前对紫铜管的坡口及坡口两侧的60mm处进行预热,预热方法采用氧-乙炔火焰加热,预热温度为500℃左右, 测温方法为:点接触测温仪。

  1.1.6 将管件定位焊两处(按管周长三等分,两处为定位焊,一处为起焊点),定位焊要求长度≥10mm,焊高3mm为宜。

  1.2 施焊

  焊接层次为二层,即打底层与盖面层,均为转动焊,焊接位置在时钟的10点到11点半,随机转动往上施焊。

  1.2.1 打底焊:打底焊采用左向焊法,施焊时要防止产生气孔、夹渣、焊瘤及未焊透等缺陷。焊丝与管平面夹角应尽量小些,以加强氩气保护效果,详见图7。


  焊枪运动均匀,控制熔池温度要适宜,不能太高或太低,焊接过程才能顺利进行,关键是要密切注意熔池铜的液体流动情况,掌握好熔化、焊透的时机,当熔池金属稍有下沉的趋势说明已焊透(根部成形基本良好)。采取“间断”送丝法进行填丝,即铜焊丝一送一退,送得“利索”, 退得“干净”,始终保持这种状态均匀地向前焊接,如果焊接速度稍慢或焊透不匀就会出现未焊透或出现烧穿,而形成焊瘤。其引弧、接头与操作方法与前述氩弧焊焊管方式相同。

  1.2.2 盖面层的焊接:焊枪左右摆动,焊丝也随焊枪运动而送丝,电弧运动到坡口两侧时要稍作停顿,并添加焊丝,以填满坡口,并高出管平面1.5~2mm,焊枪与焊丝相互配合恰当,并摆动均匀,才能控制熔池形状一致,才能焊出内外质量优良的焊缝。

  1.2.3 注意事项

  1)施焊中严禁“打钨”(即钨极与焊丝或钨极与熔池相接触)现象发生。焊接时“打钨”时会产生大量的金属烟尘、金属蒸气进入熔池, 焊缝中就会产生大量的蜂窝状气孔或裂纹,如发生“打钨”现象,必须停止焊接,处理打磨干净后再焊接,并更换钨极或将钨极尖重新修整,达到无铜斑金属为止。

  2)搭接线接触要牢靠,防止擦伤管表面。

  3)待焊缝稍冷却后,再转动管件,并垫牢固。

  4)控制层间温度,发现施焊熔化困难时,说明温度已低,应重新预热至500℃以上,再焊接,否则易产生未熔合或熔合不良缺陷。

  5)在保证熔合良好的情况下,焊接速度应稍快些,并掌握送丝适宜,注意母材与焊丝同时熔化而融为一体,防止产生未熔合或熔合不良等缺陷。

  6)焊接熄弧时,焊枪不能立即抬起,应继续利用滞后停气保护功能保护熔池,以防产生气孔。

  1.2.4 焊后处理

  经检查,确无气孔、裂纹、夹渣等缺陷后, 将被焊管接头的焊接区域重新加热到600~700℃, 用自来水急冷,使焊接区域塑性增加。

  例6 黄铜齿轮断齿的补焊

  某大型设备的黄铜齿轮在使用中有两个齿断掉,该齿轮直径为560mm,厚为94mm,为直齿齿高32mm。黄铜是铜和锌的合金,锌的熔点仅419℃,沸点925℃,因此焊接和补焊黄铜时, 在焊接高温下,锌熔化后即蒸发,很容易使焊肉产生气孔,影响齿轮的使用强度,为此采用热量集中、焊接质量好的手工钨极氩弧焊(TIG)方法补焊,取得较好的效果。

  1.1 焊前准备

  1.1.1 选用WSE-350交直流方波氩弧焊机、交流施焊。

  1.1.2 选用硅黄铜焊丝(丝224),由于该焊丝含硅量0.5%左右,能有效地控制锌的蒸发,消除气孔和得到满意的机械性能。

  1.1.3 氩气纯度≥99.99%。

  1.1.4 将断齿处用汽油清洗干净,用角向砂轮打磨,露出金属光泽,并将齿轮垫好,断齿处朝上,保持水平状态,以利堆焊。

  1.2 施焊

  1.2.1 预热:铜及铜合金有很高的导热性,同时焊黄铜也象焊紫铜那样在熔化温度下,将产生氧化铜,并极易吸收大量气体,在加上焊黄铜时有锌的蒸发,所以产生气孔的问题比紫铜更为严重,为避免和减少上述问题的出现,黄铜的焊接速度应尽量快些,为此应将该件预热, 预热方法采用氧-乙炔火焰,预热温度在450℃左右,这样不但能加快补焊的速度,还能使锌的蒸发量大大的减少,同时由于焊件的温度较高,焊道冷却速度较慢,在熔化时吸收的气体, 在凝固以前有足够的时间逸出,从而大大减少了气孔的产生,保证了齿轮的使用强度。

  1.2.2 焊接参数:焊接规范参数见表5。


  1.2.3 施焊:采用左焊法和多层多道往上堆焊而成,焊枪喷嘴和焊丝与断齿的平面角度和焊接不锈钢和铝镁合金管相同。第一道焊缝不填焊丝,采用自熔焊法焊接,这一层的焊接是保证齿轮使用强度的关键,自熔焊时,齿轮根部一定要熔合好,不得有气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷,否则将会大大降低齿轮的使用强度和寿命。第二层焊道要比齿轮根部(自熔层焊道)宽出4~6mm(断齿根部两侧,每侧应宽出2~3mm),以保证加工后齿面咬合尺寸,其余各层以此往上堆焊而成。施焊中,由于电弧温度很高,锌等合金元素极易蒸发、烧损,而产生气孔和焊缝裂纹,因此在各层熔合好的情况下, 焊接速度应尽量快些,同时,这些蒸发、烧损的烟雾也会给操作者带来不便(烟雾蒸发影响焊工视线),还会影响操作者的身体健康,焊接时要注意通风良好和加强保护措施。焊后不处理,自然冷却后,用角向砂轮打磨,用钢锉等工具加工成原齿轮形状。

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