铜合金焊接工艺及焊接质量控制Word格式.docx

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1887年美国汤普森发明电阻焊，用于薄板的电焊和缝焊；

缝焊是最早的半机械化焊接方法，之后又出现了闪光对焊方法焊接棒材和链条，至此电阻焊进入实用阶段。

到目前为止，焊接技术已经有20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展之中。

一方面，材料学进入21世纪已显示出以下的变化趋势，即从黑色金属向有色金属变化；

从多维材料向低维材料变化；

从单一材料向复合材料变化。

新材料的连接对焊接技术提出了更高的要求。

另一方面，基于计算机技术的先进制造技术如计算机辅助焊接（CAM）、焊接机器人、计算机集成制造系统（CIM）to等蓬勃发展，正从信息化、集成化、系统化、柔性化等几个方面改变着焊接技术的生产面貌。

（二）焊接技术在铜合金中的应用

铜具有优良的导电性和、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定强度等特性。

在电电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天工业中应用广泛在纯铜中加入十余种合金元素，形成固溶体的各类合金。

铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等方法实现连接，在工业发达的今天，熔焊已占据主导地位。

用TIG焊、焊条电弧焊、MIG焊等焊接工艺方法易实现铜及铜合金的焊接。

1、紫铜的焊接

焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氩弧焊等方法，大型结构也可采用自动焊。

（1）紫铜的气焊焊接紫铜最常用的是对接接头，搭接接头和丁字接头尽量少采用。

气焊可采用两种焊丝，一种是含有脱氧元素的焊丝，如丝201、202；

另一种是一般的紫铜丝和母材的切条，采用气剂301作助熔剂。

气焊紫铜时应采用中性焰。

（2）紫铜的手工电弧焊

焊件厚度大于4毫米时，焊前必须预热，预热温度一般在400-500℃左右。

用铜107焊条焊接，电源应采用直流反接。

焊接时应当用短弧，焊条不宜作横向摆动。

焊条作往复的直线运动，可以改善焊缝的成形。

长焊缝应采用逐步退焊法。

焊接速度应尽量快些。

多层焊时，必须彻底清除层间的熔渣。

焊接应在通风良好的场所进行，以防止铜中毒现象。

焊后应用平头锤敲击焊缝，消除应力和改善焊缝质量。

（3）紫铜的手工氩弧焊 

在紫铜手工氩弧焊时，采用的焊丝有丝201（特制紫铜焊丝）和丝202，也采用紫铜丝，如T2。

焊前应对工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物都必须清理干净，避免产生气孔、夹渣等缺陷。

清理的方法有机械清理法和化学清理法。

对接接头板厚小于3毫米时，不开坡口；

板厚为3～10毫米时， 

开V型坡口，坡口角度为60-70&

ordm;

；

板厚大于10毫米时，开X型坡口，坡口角度为60-70&

为避免未焊透，一般不留钝边。

根据板厚和坡口尺寸，对接接头的装配间隙在～毫米范围内选取。

紫铜手工氩弧焊，通常是采用直流正接，即钨极接负极。

为了消除气孔，保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，必须提高焊接速度，减少氩气消耗量，并预热焊件。

板厚小于3毫米时，预热温度为150-300℃；

板厚大于3毫米时，预热温度为350-500℃。

预热温度不宜过高，否则使焊接接头的机械性能降低。

还有紫铜的碳弧焊，碳弧焊使用的电极有碳精电极和石墨电极。

紫铜碳弧焊所用的焊丝和气焊时一样，也可用母材剪条，可用气焊紫铜的助熔剂，如气剂301等。

2、黄铜的焊接

黄铜焊接的方法有：

气焊、碳弧焊、手工电弧焊和氩弧焊。

（1）黄铜的气焊

由于气焊火焰的温度低，焊接时黄铜中锌的蒸发比采用电焊时少，所以在黄铜焊接中，气焊是最常用的方法。

黄铜气焊采用的焊丝有：

丝221、丝222和丝224等，这些焊丝中含有硅、锡、铁等元1/2素，能够防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的性能和防止气孔产生。

气焊黄铜常用的熔剂有固体粉末和气体熔剂两类，气体熔剂由硼酸甲脂及甲醇组成；

熔剂如气剂301。

（2）黄铜的手工电弧焊

焊接黄铜除了用铜227及铜237外，也可以采用自制的焊条。

黄铜电弧焊时，应采用直流电源正接法，焊条接负极。

焊前焊件表面应作仔细清理。

坡口角度一般不应小于60-70&

，为改善焊缝成形，焊件要预热150-250℃。

操作时应当用短弧焊接，不作横向和前后摆动，只作直线移动，焊速要高。

与海水、氨气等腐蚀介质接触的黄铜焊件，焊后必须退火，以消除焊接应力。

3）黄铜的手工氩弧焊

黄铜手工氩弧焊可以采用标准黄铜焊丝：

丝221、丝222和丝224， 

也可以采用与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。

用交流焊接时，锌的蒸发比直流正接时轻。

通常焊前不用预热，只有板厚相差比较大时才预热。

焊接速度应尽可能快。

焊件在焊后应加热300-400℃进行退火处理，消除焊接应力，以防止焊件在使用过程中裂缝。

（4）黄铜碳弧焊

黄铜碳弧焊时，根据母材的成分选用丝221、丝222、丝224等焊丝，也可用自制的黄铜焊丝施焊。

焊接可以采用气剂301等作熔剂。

焊接应短弧操作，以减少锌的蒸发和烧损。

直流TIG焊工艺方法广泛应用于铜及铜合金的焊接，焊风成型好，内外质量优良，在氩气的保护下，熔池纯净，气孔少，热裂影响小，操作易掌握。

厚度≤4mm时可不用焊前预热，直接用氩气预热，待熔池温度接近600℃时，可加填充焊丝熔化母材，实现焊接。

厚度大于4mm的铜材，纯铜应预热400—600℃。

铜合金焊接预热200—300℃。

300TSP，315TX直流TIG焊机可焊接纯铜、硅青铜、磷青铜、黄铜、白铜等铜合金。

300WP5、300/500WX4交直流两用TIG焊机可用交流TIG焊接铝青铜（用交流方波清除表面氧化膜）及用直流TIG焊接上述铜材。

　　近年来，采用MIG方法焊接铜及铜合金的施工越来越多，尤其对于厚度≥3mm的铝青铜、硅青铜和白铜最好选用MIG焊方法。

厚度3~14mm或>

14mm的铜及铜合金几乎总要选用MIG焊，因为熔敷效率高、熔深大、焊速快（一般为TIG焊的3~4倍），实现高效、优质、低成本的经济效益要求。

铜材施焊前均应达到预热温度要求（纯铜400~600℃，铜合金200~300℃），焊丝与母材化学充分相似，氩气纯度≥%。

（三）铜合金焊接的发展趋势

随着焊接技术的发展，铜合金焊接技术的发展趋势主要体现在一下几个方面：

1.能源方面，首先是对现有热源的改善，其次是开发更好的、更有效的热源、第三是节能技术。

2.多传感器信息智能融合技术，随着机器人系统中实用的传感器种类和数量越来越多，各种新型传感器的不出现。

利用各种传感信息，获得随环境的正确理解，是机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性。

3.计算机技术的应用。

4.提高焊接生产效率。

即提高焊接熔敷率和减少坡口截面及熔敷金属量。

二、铜合金简介

铜合金以它独特而优越的综合性能，获得广泛的用途。

铜合金具有优良的导电性、导热性能，高的抗氧化性以及耐淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物质腐蚀的性能，但易在氧化性酸中腐蚀。

铜合金具有良好的冷热加工性能和较高的强度。

铜合金在电气、电子、化工、食品、动力、交通、航空、航天及兵器等工业中得到了广泛的应用。

（一）铜合金的分类

（1）纯铜

纯铜是指含Cu的质量分数达95%以上的所谓的工业熟铜。

由于其导电导热性能极好多用于制造电线、电缆、热交换器等。

（2）黄铜

黄铜是以锌为主要元素的铜-锌合金。

其中不含其他合金元素的黄铜称为普通黄铜（简单黄铜）；

含有其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜（复杂黄铜）。

黄铜的强度硬度比纯铜高，而且耐腐蚀性好，常用于制造船舶零件、管嘴、轴承等

（3）青铜

青铜是以除锌以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。

按其所含的主要合金元素的种类可分为：

锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜。

青铜具有比纯铜黄铜更高的强度和耐磨性，适于作为耐腐蚀的结构材料。

（4）白铜

白铜是铜-镍合金，因颜色近白色而得名。

白铜的力学性能很高，且耐腐蚀性也很好，常用于船舶和电气工业的冷凝管。

（二）铜合金的焊接性

1.热导率高引起的熔化困难和热热影响区宽度过大问题

由于散热很快，母材难于熔化而且不易与焊缝金属很好的熔合，必须采取预热和加大焊接热源功率等措施。

同时，散热快还使热影响区变宽，从而也使焊接变形更加严重，所以要采取措施（如刚性夹具）减小变形，但要注意防止因刚性过大而引起的裂纹问题。

2.杂质引起的裂纹问题

铜与很多种杂质或化合物都会形成低点共晶，如：

Cu2O+Cu；

Cu+Bi；

Cu+Cu2S；

Cu+Pb等低熔点物质分布于晶界，造成热脆性甚至引起结晶裂纹。

此外，结晶温度区间大小当然也会影响结晶裂纹倾向，所以必须控制杂质及合金的含量，或者在焊缝金属中加入脱氧的合金元素如Si、Mn、P等。

在焊接工艺上则尽量减小接头的拘束，或用预热来减缓冷却速度，降低焊接应力。

下表列出了铜合金的结晶温度区间。

表1铜合金的结晶温度区间

合金成分（质量分数）%

T/℃

结晶温度区间/℃

固相线

液相线

黄铜Cu-63%,Zn-37%

902

915

13

锡青铜Cu-92%,Sn-8%,%

850

1030

180

铝青铜Cu-93%,Al-7%

1040

1042

2

硅青铜%,Si-1%,%

1070

30

3.气孔问题

铜及铜合金焊接时，形成焊缝气孔的倾向很大，一方面是有很多种因素造成熔池内气泡，如在固-液态温度下，氢在固态和液态的溶解度差别很大，结晶时氢逸出形成气泡；

熔池中锌、磷等沸点低的元素蒸发也形成气泡；

熔池中氢和CO会与Cu2O作用形成水蒸气和CO2，也形成气泡。

此外还有些合金元素如锌、镉和磷，沸点很低，焊接时可能气化，形成气泡。

由于铜和铜合金的热导率很高，所以形成的气泡往往来不及逸出，如果残留在焊缝中就造成了气孔。

为了防止铜及铜合金焊缝气孔，必须减少氢氧含量；

填充金属中尽量减少低沸点元素，以免产生气体；

预热以延长熔池存在时间，使气泡来得及逸出；

采用含有铝、钛等强脱氧元素的填充材料来减少气体来源，都是有效措施。

4.其他接头性能变化问题

经过焊接热过程焊缝结晶长大，杂质增多，合金元素烧损，蒸发……，铜及铜合金的接头性能会有较大的变化。

首先是导电性能明显下降，任何杂质或者合金元素进入焊缝都会使导电性能下降。

因此，纯铜焊接时为保证导电性能，必须力图防止杂质进入焊缝。

其次，接头的力学性能，主要是因为晶粒粗大和晶界存在杂质使塑形、韧性明显降低。

这要采取使焊缝合金化和变质处理来加以改善。

此外，一些铜合金的耐腐蚀性是依靠锌、锰、镍、铝、锡等元素获得的，焊接时这些元素的烧损会使耐腐蚀性降低，因而必须加强对这些合金元素的保护，或者对焊缝进行合金化，防止耐