銅與鋼異種材料焊接工藝研究

張麗芳

摘 要：本文針對(duì)銅與鋼異種材料焊接工藝的探討研究，提出CS-NiCu合金雙金屬焊接技術(shù)，通過其在壓縮機(jī)末端冷卻器冷卻管與管板之間的焊接試驗(yàn)，焊接效果符合設(shè)計(jì)要求，在此提出一種適合銅與鋼異種材料的焊接工藝。

關(guān)鍵詞：銅與鋼異種材料焊接；CS-NiCu合金焊接技術(shù)；熔化焊接

中圖分類號(hào)： TG16.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）23-165-2

1 異種材料焊接工藝

隨著焊接新材料、新技術(shù)的日新月異，同種材料的焊接已不能完全滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的需求，在更多情況下需要對(duì)異種材料進(jìn)行焊接。目前異種材料的焊接也越來越普遍，甚至在某些情況下，異種材料的焊接結(jié)構(gòu)的綜合表現(xiàn)效果比同種材料結(jié)構(gòu)更勝一籌。

1.1 異種材料焊接方法

隨著異種材料焊接得到越來越多的應(yīng)用，其焊接方法也得到很大的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)異種材料的主流焊接方法有熔化焊接、釬焊接、固相壓力焊接以及液相過渡焊接等。異種材料的熔化焊接方法在實(shí)際焊接工藝中主要采用電弧焊接、激光焊接、鎢極氬弧焊接、CO2氣體保護(hù)焊接等；釬焊接即是將熔點(diǎn)較低的一種材料受熱熔化，將另一種材料和釬料都加熱到其溫度高于釬料的熔點(diǎn)卻又低于前一種材料的熔化溫度，最終實(shí)現(xiàn)異種材料之間的焊接；固相壓力焊接則對(duì)材料采取不熔化的措施，只是加壓焊接接頭以固相結(jié)合的方式，主要有超聲波焊接、冷壓焊接、爆炸摩擦焊接等方法；液相過渡焊接是介于熔化焊接與壓力焊接的一種焊接方法，需要加入中間夾層于焊縫之間，其焊接的關(guān)鍵在于對(duì)壓力的掌控，需要在很小的壓力下進(jìn)行加熱熔斷夾層，通過夾層的液相擴(kuò)散和凝固而進(jìn)行焊接。

1.2 銅與鋼異種材料焊接的發(fā)展現(xiàn)狀

釬焊技術(shù)是銅與鋼異種材料焊接工藝上采用最為普遍的辦法，但是傳統(tǒng)釬焊技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上存在很多局限性，不僅加工效率低、焊接后清洗麻煩，而且存在焊接后的接頭強(qiáng)度低等問題。此外，銅與鋼以及銅合金與鋼的異種材料結(jié)構(gòu)多采用熔化焊進(jìn)行焊接操作。但常常遇到的情況是由于兩種異種材料之間存在物理、化學(xué)性質(zhì)差別巨大的相互溶解度，在熔化焊接時(shí)非常容易導(dǎo)致焊接接頭部位的金相組織不均勻、不穩(wěn)定，或者衍生出額外的其他金屬化合物，使焊接效果不滿足設(shè)計(jì)基本要求，所以控制焊接時(shí)的焊速、電流、熔合比成為焊接成敗的關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)背景

目前國(guó)際市場(chǎng)上一些大型壓縮機(jī)公司的冷卻器原先絕大部分采用的是進(jìn)口產(chǎn)品，壓縮機(jī)末端冷卻器壓力較高，一般在幾十巴以上，有的冷卻管采用的是NiCu合金，為確保管與管板的密封要求冷卻管與管板要進(jìn)行強(qiáng)度焊接，原先進(jìn)口產(chǎn)品管板采用的是CS-NiCu復(fù)合管板，冷卻管與管板屬于同種材料焊接，而CS-NiCu復(fù)合管板供貨廠家少，制造周期長(zhǎng)，成本較高。本文對(duì)銅與鋼這兩種異種材料焊接工藝的研究，采用CS-NiCu合金雙金屬焊接技術(shù)，通過壓縮機(jī)末端冷卻器管與管板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，再檢測(cè)焊接后冷卻器管與管板之間是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 試驗(yàn)原理

銅與鋼分別在高溫作用下熔化，通過焊絲連接，氬弧焊機(jī)進(jìn)行高焊速自動(dòng)焊接。整個(gè)焊接過程中銅與鋼兩種異種材料通過相互擴(kuò)散作用連接，形成新的接頭。

2.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為φ18×1×110的冷卻管和150×100×δ52（16MnR）的管板。焊接材料為BFe10-1-1焊絲。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

紅山生產(chǎn)的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)：WE-600。

2.5 試驗(yàn)方法

①在一塊150×100×52（16MnR）的板上用管與管頭氬弧焊機(jī)自動(dòng)焊10根φ18×1 （BFe10-1-1）的冷卻管（采用管材化學(xué)成分相當(dāng)?shù)暮附z），管頭進(jìn)行著色檢查，切開兩個(gè)焊接接頭，其剖面用10倍的放大鏡進(jìn)行宏觀金相檢查；②按照工藝圖紙（圖1）焊接的冷卻管拉脫力試驗(yàn)件二件，一件為組裝后擴(kuò)管，擴(kuò)管后進(jìn)行管頭焊接，再進(jìn)行強(qiáng)度脹接；一件為直接進(jìn)行管頭焊接，再進(jìn)行強(qiáng)度脹接。③φ18×δ1 （BFe10-1-1）的冷卻管試樣進(jìn)行拋光后，先用過硫酸銨溶液預(yù)先浸濕，后用檸檬酸、醋酸鉛、硫代硫酸鈉混合溶液進(jìn)行浸濕，試樣使被檢測(cè)部位變藍(lán)色，然后熱風(fēng)吹干在100倍顯微鏡下觀察原管材與評(píng)定解剖試件的組織晶粒。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

①對(duì)上述檢測(cè)試樣分別進(jìn)行檢測(cè)，管頭著色檢查檢測(cè)合格，評(píng)定級(jí)別為Ⅰ級(jí)；②放大檢測(cè)后可見根部焊透；焊縫熔合；焊縫、熱影響區(qū)無裂紋；③本次兩件冷卻管拉脫力試驗(yàn)件斷裂位置在管材的中部（非焊接熱影響區(qū)），焊接處無可見損傷，拉伸強(qiáng)度分別為329MPa，341MPa；④原管材晶粒度0.020～0.025，焊接后管材焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒度0.025～0.023，變化不大。

3.2 試驗(yàn)分析

①理論上，手工氬弧焊或氧焊對(duì)冷卻管與板上管焊接后，焊接部位晶粒變大進(jìn)行拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，其斷口位置一般在焊接熱影響區(qū)，其拉脫力為1.96MPa。本次φ18×1（BFe10-1-1）冷卻管和（16MnR）管板焊接，拉脫強(qiáng)度均大于1.96MPa，證明焊接工藝焊接效果顯著；②通過管頭著色檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)評(píng)定為Ⅰ級(jí)，同時(shí)放大后發(fā)現(xiàn)熔合很好，無裂紋，無缺陷，說明該技術(shù)焊接后的焊縫質(zhì)量高，能夠同時(shí)滿足密封及抗高拉強(qiáng)度要求；③原管材晶粒度與焊接后管材焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒度相差無幾，說明兩種材料之間擴(kuò)散作用明顯，形成良好的均質(zhì)接頭；④在試驗(yàn)后期冷卻器的實(shí)際運(yùn)行中，溫差應(yīng)力的變化也沒有導(dǎo)致裂紋或者泄漏。

4 結(jié)論

①通過上述試驗(yàn)可看出，CS-NiCu合金雙金屬焊接技術(shù)將CS-NiCu復(fù)合管板改為CS管板，在冷卻管與碳鋼管板之間形成結(jié)合緊密的焊縫，冷卻管的機(jī)械性能不受影響，防腐性能也依然顯著，不僅可降低制造成本與縮短制造周期，節(jié)約大量的有色金屬，還體現(xiàn)該工藝在銅與鋼異種材料焊接上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

②銅與鋼異種材料進(jìn)行焊接，由于兩種材料之間的物理性能及化學(xué)成分相差大，在進(jìn)行焊接研究時(shí)，首先要進(jìn)行焊接方法的探索和研究，采用多種焊接方法進(jìn)行焊接試驗(yàn)，選擇合理的焊接參數(shù)，通過對(duì)各種焊接參數(shù)條件下產(chǎn)生的焊接試件進(jìn)行機(jī)械性能、金相檢測(cè)、晶粒結(jié)構(gòu)等分析后，最后確定焊接工藝。

③銅與鋼異種材料的焊接接頭組織變化復(fù)雜，如何提高焊接后熔合區(qū)的綜合性能以及接頭的機(jī)械性能、熱力性能、防腐性能，都是異種材料焊接工藝研究的重難點(diǎn)地方。

④如今異種材料的焊接已不再稀少，理論上的焊接方法也有很多，且各具特色，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于焊接過程中發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)變化，不同的焊接部位以及焊接材料用同一種工藝進(jìn)行焊接后，最后獲得的接頭效果均不太理想。因此，今后還應(yīng)針對(duì)不同的異種焊接材料找到更加有針對(duì)性的方法，使焊接方法適應(yīng)焊接過程中發(fā)生的物理化學(xué)變化，以滿足構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，獲得更加優(yōu)質(zhì)的接頭。

參 考 文 獻(xiàn)

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