水冷銅坩堝中紫銅與不銹鋼焊接工藝研究

蔡鵬 楊乾剛

摘 要

本文對紫銅與不銹鋼的焊接工藝進行研究，通過對銅鋼焊接過程中常見問題分析，設計了單一因素對比試驗，通過試驗研究確定了紫銅、不銹鋼焊接的基本工藝參數范圍。通過進一步對不同焊接速度、送絲速度、焊槍角度下，各組織的宏觀形貌照片進行分析研究，最終獲得了最優焊接工藝參數為焊接電流170A，焊接電壓15.8V，送絲速度7.3m/min，焊接速度35cm/min，焊槍角度90°左右。

關鍵詞

紫銅;不銹鋼;焊接

中圖分類號： TG444.74? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.030

0 前言

銅的物理特性如熔點、熱導率、線膨脹系數及力學性能與鋼的相關特性有較大差異，此種性質對銅和鋼的焊接增加了一定的難度，導致了銅和鋼在焊接過程中很容易出現不同形態的裂紋和變形。對高溫狀態下銅和鐵的微觀結構進行分析發現，在高溫狀態下，它們的原子半徑、晶格類型和常數及外層電子數都較為接近，這種特性表明了銅和鋼在一定高溫下是可以焊接的，因為相似的微觀結構有利于原子間的擴散[1]。對銅和鐵的相圖進行分析，在液態時，Cu與Fe是無限互溶，在固態時為有限互溶，且不形成脆性的金屬間化合物，以雙相組織存在[2]，此種性質進一步表明銅和鋼焊接是可行的，可以形成性能優異的銅鋼復合部件。

在銅鐵焊接過程中，常見的問題有焊縫的熱裂傾向、近縫區的滲透裂紋、熔合區變形、氣孔傾向、接頭性能下降傾向，以上各種問題，如果過度發展，都會導致銅鐵焊接質量下降，甚至出現在焊接位置存在空洞的現象，為解決以上問題，開展了紫銅和不銹鋼焊接工藝的研究。

本文針對銅鋼焊接過程中的常見問題，開展了單因素焊接實驗，對焊縫成型效果影響較大的工藝參數進行了研究，通過多搭接接頭焊接后的組織和性能分析，優選出了銅鋼焊接的關鍵工藝參數。

1 銅鐵焊接常見問題原因分析

銅鐵焊接過程中常見的問題在前言部分做了說明，針對不同問題做相應的原因分析。

對于焊縫的熱裂傾向，主要是焊接過程中產生的熱應力集中導致的，原料或焊料中的有害雜質元素與銅或鐵結合形成了低熔點共晶體或脆性化合物，此種組織狀態易對銅鐵形成的固溶體造成破壞，產生焊接應力，導致焊接過程中產生熱裂紋。為此，在焊接過程中，對原材料的成分進行嚴格控制，并在焊接前進行預熱，減少焊接應力的存在。

對于在焊縫附近產生的滲透裂紋，分析原因為在焊接的過程中，焊接電流不合適或者是焊接結束后，冷卻方式不合適，這就容易使得在結晶的過程中，在金屬組織上產生缺陷，這種缺陷主要表現為在鐵的結晶表面出現微小的裂口，在焊接時，熔化的銅液滲入微小的裂口，深入裂口的銅液會沿著晶界繼續前進，導致鐵結晶表面的晶界能下降，再由于焊接拉應力的作用，在焊接接口附近產生滲透裂紋[4]。

對于熔合區出現形變的問題，分析原因主要是由于銅金屬與鐵金屬的導熱率和收縮率存在較大的差異。鋼材的導熱率比銅的導熱率要小得多，約為銅的十分之一作用，在進行銅鐵焊接的過程中，大量的熱量會從母材散失，使得焊接溫度不能達到焊接所需要的熔化溫度，導致焊材之間熔合困難。同時由于銅金屬的線膨脹系數和收縮率一般要比鐵大，約為一倍，若在進行焊接作業時，銅鐵的接頭處及周邊未進行約束，在焊接時將容易造成熔合區變形[4]。針對以上問題，在焊接時，對母材進行預熱處理，并設計工裝，約束焊接接頭，防止變形。

2 試驗材料及其預處理

試驗材料使用了T2紫銅和304不銹鋼，將不銹鋼和紫銅如下圖所示搭接，進行焊接，紫銅試驗板規格為50mm×30mm×3mm，不銹鋼試驗板規格為50mm×30mm×3mm。

填充材料選用純銅焊絲，直徑為1.2mm，其成分如表1所示。

在焊接前，需要對試驗用金屬板進行表面清理，通過打磨機對銅板和鋼板的待焊接區域進行打磨清理，去除其表面的氧化膜與吸附層，打磨后再用丙酮擦拭，做進一步的清理后開始焊接作業，以此保證焊縫質量。

3 焊接工藝研究

在利用焊機進行焊接作業時，關鍵工藝參數有焊接電流、焊接電壓、焊接速度送絲速度、和焊槍的角度，不同工藝參數對最終的焊縫質量均存在影響，主要影響為焊接成形，焊接組織及接頭強度等方面。通過對焊縫成形的影響研究，確定出可以形成良好成形效果的工藝參數。下表為初步選擇的焊接工藝參數，用以進行銅鐵焊接試驗。

表2中的6組參數進行銅鐵焊接，得到成形情況如下的6條焊縫。

1#、2#樣品的焊接速度不同，其他參數相同，3#樣品的焊接參數中電壓較高，電流較小，4#樣品的焊接參數中電壓較低，電流較大，5#、6#樣品除焊槍角度不同外，其他參數相同。從以上不同參數的焊接成形外觀來看，當焊接的送絲速度保持7.5m/min，焊槍角度保持90°時，焊接速度越大，焊縫余高隆起越低，焊縫的寬度越窄，但整體成形效果尚可。保持焊接參數中的焊接速度為30cm/min，焊槍角度為90°，同時改變送絲速度，隨著送絲速度的變化，余高也發生了變化，隨送絲速度的變快，余高也變得飽滿，當送絲速度達到一定值后，余高出現過高顯現，焊縫填充量出現過多現象，這會導致焊縫寬度不均勻，因此在焊接過程中，要保持送絲速度合適，這樣才能保證余高隆起美觀，焊縫寬度均勻，通過對樣品對比發現送絲速度在7.3～7.5m/min較為合適。對焊槍角度不同的樣品進行對比分析，發現焊槍角度不合適容易導致焊接過程不穩定，焊縫寬窄不均勻，若焊槍角度過大或者過小，在焊接過程中可能出現保護效果不佳，導致焊接出現咬邊、熔合不充分或者氣孔等缺陷，通過對比確定焊槍角度在90°～105°較為合適。

通過對以上結果分析，初步確定銅鐵焊接的主要工藝參數，即焊接速度30～35cm/min，送絲速度7.3～7.5m/min，焊槍角度90°～105°。

4 焊接接頭組織結構分析

為進一步分析焊縫的焊接質量，對采用以上參數獲得的樣品開展宏觀形貌分析，圖3中圖片為焊接速度不同，送絲速度和焊槍角度保持不變的焊接樣品接頭宏觀形貌。

對在不同焊接速度下樣品的鋪展效果進行對比，發現焊接速度在35cm/min時，鋪展寬度較焊接速度30cm/min為增大趨勢。在送絲速度維持不變的情況下，，余高的尺寸將會出現隨焊接速度減小增大的趨勢，余高尺寸過大在一定程度上影響了焊縫的美觀，更使得在焊縫中產生缺陷的可能性增加，從而進一步導致接頭的應力集中現象。同時隨著焊接速度的減小，焊接過程中的熱輸入將更多，熱輸入的增加對銅一側熱影響區的性能會造成不好的影響，使得銅側的更加薄弱。同時在焊接速度為35cm/min時，接頭上接觸角的度數為銳角，這有利于減小接觸處的應力集中的現象，因此優選焊接速度為35cm/min。

為進一步研究不同送絲速度對焊接的影響，保持焊接速度為35cm/min，焊槍角度為90°，觀察接頭的宏觀形貌，如圖4所示。

通過對不同送絲速度下接頭處的鋪展效果進行對比，發現隨著送絲速度的增大，鋪展寬度幾乎維持不變，余高尺寸由于進料變多，出現增大的趨勢，余高增大對在接頭處產生缺陷的可能性增大，并容易造成接頭處的應力集中。同時送絲速度增大，焊接所需要的電流也要相應的增大，從而提高了焊接過程中的熱輸入，熱輸入對銅側的熱影響區的性能會造成一定的不良效果，因此在送絲速度滿足進料要求的情況下，選擇較小的送絲速度，即7.3m / min。

為研究不同焊槍角度下焊接效果，保持焊接速度和送絲速度一致，對焊槍角度從75°～105°的焊接接頭宏觀形貌進行觀察，如圖5所示。

對在不同焊槍角度下的焊縫鋪展寬度進行對比發現，焊槍角度改變對鋪展寬度的影響不大，在為鈍角時鋪展寬度較小，這導致了焊絲熔化后越堆越高，使得余高變大。對不同焊槍角度下焊接接頭的宏觀形貌圖片進一步觀察發現，在焊槍角度為90°時，焊接接頭之間的接觸角較75°和105°都較大，而接觸角越大相對來講焊接質量越好，所以焊槍角度選擇接觸角最大的90°左右。

通過宏觀形貌的對比分析，最終確定焊接工藝參數為焊接電流取170A，焊接電壓取15.8V，送絲速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊槍角度保持在90°左右。

5 結論

（1）通過對焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度和焊槍的角度進行試驗研究，確定了紫銅與不銹鋼搭接的基本工藝參數范圍。

（2）通過研究不同焊接速度、送絲速度、焊槍角度下，各組織的宏觀形貌照片，獲得了最優焊接工藝參數為焊接電流取170A，焊接電壓取15.8V，送絲速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊槍角度保持在90°左右。

參考文獻

[1]艾建玲，楊永福，盧立申.銅-鋼復合板管板接頭的焊接技術[J].2000，29（3）13～14.

[2]吳博文.銅—鋼異種金屬雙絲焊工藝研究[D].南京理工大學，2009.

[3]呂世雄，楊士勤，王海濤，薛承博.堆焊銅合金/CrMnSi接頭的界面結構特征[J].焊接學報，2007，28（2）：63～68.

[4]張希川，安振之，馬學智.銅-鋼焊接時防止裂紋產生的措施[J].沈陽工業大學學報，2000，22（2）：125～126.