第21讲-铜及其合金焊接

271第21讲铜及其合金的焊接227§8.2铜及其合金的焊接一、铜及其合金的种类与性能铜及其合金是有色金属。在纯铜中加入合金元素后就成为铜合金。根据金属的颜色和成分，铜及铜合金可分为纯铜，黄铜(铜-锌合金)、青铜(铜-锡合金、铜-铝合金等)、白铜(铜-镍合金)等四大类。1、纯铜有以下特性：1)优良的导电性，在金属中仅次于银，纯度越高导电性越好。2)导热性好，仅次于金和银，约是铝的15倍。3)在大气、河水中有良好的耐蚀性。3274)有良好的常温和低温塑性，但在400－700℃高温下，其强度和塑性显著降低。5)退火状态强度和硬度低，经冷加工变形后强度可成倍增加而塑性成倍降低。再经500－600℃退火，又能恢复其塑性。纯铜的性能与所含杂质有关。即使含铅、铋量很少，也会使铜产生热脆性，在焊接过程中极易形成裂纹；硫和氧在铜中形成脆性化合物，如硫化铜(CuS)和氧化亚铜(Cu2O)，大大降低铜的塑性，使铜在热加工和焊接时产生困难。4272、黄铜黄铜是铜和锌组成的二元合金。它的强度、硬度和耐蚀性都比纯铜高，并能进行冷、热加工。当w(Zn)＝30％时，为单一的α相组织，塑性最好；当w(Zn)＞39％时，就出现金属间化合物β相，这时强度提高而塑性下降。为了进一步提高黄铜的力学性能、耐蚀性能、铸造或切削的工艺性能，在简单黄铜中再加入少量的锡、锰、铝、硅、铁等元素，就获得系列多元铜合金，称复杂(特殊)黄铜。527二、铜及其合金的焊接性分析(1)难熔合，焊缝成形能力差铜的热导率在20℃时比铁大7倍多，1000℃时大11倍多。焊接时热量迅速从加热区传出之，使加热范围扩大。焊件厚度越大，散热越严重。焊接区难以达到熔化温度，所以母材和填充金属难熔合。为此，焊接时需使用大功率的热源，焊前常需预热。铜在熔化温度时，表面张力比铁小1／3，流动性比钢大1－l5倍。因此，表面成形能力差，当用大功率熔化极气体保护焊或埋弧焊时，熔化金属易流失。为此，单面焊时，背面需使用衬垫(板)等成形装置。627(2)焊接应力与变形大铜的膨胀系数比铁大15％，而收缩率比铁大1倍以上；又由于铜的导热能力强，冷却凝固时，变形量大。当焊接刚性大的焊件或焊接变形受阻时，就会产生很大的焊接应力，成为导致焊接裂纹的力学原因。(3)易产生热裂纹在焊缝和热影响区上都可能产生热裂纹。主要原因是铜在液态下易氧化生成氧化亚铜，它溶于液态铜而不溶于固态铜，冷凝过程中与铜生成熔点略低于铜的共晶，共晶物分布在焊缝金属的枝晶间或晶界处。当焊缝处于高温时，热影响区的低熔共晶物重新熔化，在焊接应力作用下，在焊缝或热影响区上就会产生热裂纹。由于铜和铜合金在加热过程中无同素异构转变，晶粒易长大，有利于低熔点共晶薄膜的形成，从而增大了热裂倾向。727为了防止热裂纹，从冶金方面须严格限制铜中杂质的含量，增强对熔池的脱氧能力；若有可能选用获得双相组织的焊接材料，以破坏低熔共晶薄膜的连续性，打乱柱状晶的方向。另外，从力学方面须减小焊接应力的作用。(4)易产生气孔铜及铜合金熔焊时，焊缝产生的气孔比焊接钢时严重得多。从冶金特性方面，焊接时铜中存在有溶解性气体和氧化还原反应产生的气体。氢在铜中的溶解度与温度有关，随温度升降而增减，冷却过程析出大量的氢；熔池中的Cu2O在凝固时因不溶于铜而析出，便与氢或CO反应生成水蒸汽或CO2气体，因不溶于铜而逸出。827从物理特性方向，铜的热导率大，焊缝金属的结晶速度很大，在这种条件下氢的扩散逸出和H2O、CO2上浮极为困难，往往是来不及逸出和上浮便形成了气孔。减少或防止铜焊缝中的气孔，主要是减少氢和氧的来源以及采用预热等方法延长熔池存在时间，使这些气体易于逸出。加强对焊接区的保护和在焊接材料中加入脱氧剂，都可减少气孔的产生。(5)接头性能下降1)接头塑性显著下降因铜及铜合金一般不发生相变，焊缝和热影响区晶粒易长大；各种脆性低熔共晶出现于晶界。其结果是使接头的塑性和韧性显著下降。2)导电性能下降铜越纯其导电性能就越好，焊接过程中任何杂质和合金元素的加入，都导致电导率降低。9273)耐蚀性变差铜合金的耐蚀性是依赖于锌、铝、锰、镍等合金元素的加入，而这些元素在焊接过程易蒸发、烧损，都不同程度上使接头的耐蚀性能下降。焊接应力的存在会使那些对应力腐蚀较敏感的高锌黄铜、铝青铜、镍锰青铜的焊接接头在腐蚀环境中过早失效。改善接头性能的主要措施可以是：①控制杂质含量；②加强焊接区的保护以减少合金元素的烧损；③通过合金化对焊缝进行变质处理；④减少热的作用和焊后消除应力处理等。1027三、纯铜及黄铜的焊接工艺要点1、焊接方法的选择①常用的方法有气焊、手弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊及等离子弧焊等。②气焊及钨极氩弧焊主要应用于薄件的焊接；从焊接质量（变形、接头塑性）来说，TIG焊比气焊强，但费用较贵。③焊接板厚5mm以上较长焊缝，宜采用埋弧焊及熔化极氩弧焊。④手弧焊时，即使采取一定的预热温度，焊接质量也不稳定，易出现夹渣、气孔等缺陷，故重要结构中很少使用。11272、焊接材料的选择⑴纯铜由于铜易于氧化生成Cu2O，使焊缝易于出现热裂纹及气孔，必须在焊接材料中加入一定量的脱氧剂。⑵黄铜①气焊时，常用焊丝牌号为“丝224”，接头具有满意性能。②氩弧焊时，常用无锌的青铜焊丝。③埋弧焊焊接H62黄铜时，采用上述焊丝配合“焊剂150”。④手弧焊时，常用焊条为“铜227”。12273、焊接工艺要点①认真做好焊前的准备为防止H、O引起的气孔和裂纹，焊前应仔细清理焊丝表面及工件坡口上的氧化物及其他脏物，使其露出金属光泽；焊前应对焊接材料严格规定温度烘干，以去水分；所用氩气的纯度应在99.9％。②采用大线能量焊接及焊前预热由于导热性高，为防止焊缝出现缺陷，应注意采用大线能量焊接；必要时进行焊前预热，预热温度随板厚而增高。1327§8.3钛及其合金焊接钛及钛合金具有很多优良性能，是航空、航天工业的重要结构材料。在石油、化工和船舶工业中也越来越多地得到应用。1427§8.3.1钛及其合金的种类、成分及性能一、成分钛在885℃以下具有密排六方晶体结构，称α钛；高于885℃将发生同素异构转变，成为体心立方晶体结构，称β钛。随着钛中合金元素及杂质含量不同，同素异构转变温度也不同。根据对钛的同素异构转变温度的影响，可把常用的合金元素分为三类：⑴第一类是α稳定元素，它们能提高α钛的稳定性。随着其含量增加，β＝α转变温度升高，α相区扩大。铝属于这一类元素。铝以置换方式固溶于钛中，使钛强化。氧、氮、碳也是α稳定元素，它们以间隙方式固溶于钛中，在强化钛的同时，又导致显著脆化，故属有害杂质元素，其含量要严格限制。1527第二类是β稳定元素，它们能提高β钛的稳定性。随着其含量增加，β＝α转变温度降低，β相区扩大。在这类元素中有一些在β钛中无限固溶，而在α钛中却有限固溶，如V和Mo等。它们和钛形成置换固溶，可以使强度提高而不显著降低塑性；另一些元素在β钛和α钛中均为有限固溶，并发生共析转变，生成化合物，如Co、Cr、Mn、Fe、Cu、Si等。它们都和钛形成置换固溶。第三类是中性元素，它们在α钛和β钛中都能无限固溶，对β＝α转变温度影响不大，但对钛能起强化作用，如Sn等。1627二、种类按照钛的同素异构体或退火组织可分为α型、β型和α＋β型三类钛和钛合金。⑴工业纯钛常温强度较低，但塑性、韧性，特别低温冲击韧度很好，而且有优良的耐蚀性能，很适用于工作在350℃以下强度要求不高的耐蚀场合。又由于焊接性能良好，在石油、化工、船舶等工业上被广为应用。工业纯钛一般只在退火状态下焊接而不在冷作硬化状态下焊接。⑵α型钛合金的常温强度和热强性较好，具有较高抗蠕变能力。此外，低温冲击韧度、压力加工性能及焊接性能良好。α型钛合金只能进行低温退火，目的是消除冷作硬化的影响和焊接应力。1727⑶β钛合金在单一相条件下加工性能良好，具有优良的加工硬化特性；其缺点是低温脆性大，焊接性能差。⑷α＋β钛合金在退火状态时断裂韧度高，在淬火-时效热处理状态下比强度大，故其力学性能可在较宽范围内变化。1827§8.3.2钛及其合金的焊接性分析一、易受气体等杂质污染而脆化常温下钛及钛合金比较稳定，与氧生成致密的氧化膜具有高的耐腐性能。但在540℃以上高温生成的氧化膜则不致密，随着温度升高，容易被空气、水分、油脂等污染，吸收氧、氮、氢、碳等，降低焊接接头的塑性和韧性。在熔化状态下尤其严重。钛从250℃开如吸收氢，从490℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，而空气中含有大量的氮和氧。因此，焊接时对熔池及温度超过400℃的焊缝和热影响区(包括熔池背面)都要加以妥善保护。1927在进行钛及钛合金焊接时，采用焊接铝及其合金的气保护焊焊枪结构及工艺是不足以保证焊接接头质量的，因为这种焊枪结构所形成的气保护层只能保护好焊接熔池不受空气的有害作用，对已凝固而尚处处于高温状态的焊缝及其附近高温区域则无保护作用，而处于这种状态的钛及钛合金焊缝及其附近区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力，势必引起焊缝变脆而使塑性严重下降。焊缝背面若不采取有效保护，也将产生类似结果。2027㈠氧的影响焊缝含氧量基本上是随氩气中含氧量增加而直线上升的。氧在高温的α钛及β钛中都容易固溶，形成间隙固溶体，起固溶强化作用。氧在α钛中的最大固溶量为14.5％，在β钛中的最大固溶量为1.8％。焊缝强度及硬度是随焊缝含氧量增加或纯氩中杂质增加加增加的。工业纯钛焊接时，随焊缝含氧量上升，焊缝的抗拉强度及硬度明显增加，而焊缝塑性则显著下降。也就是说，焊缝因氧的污染而变脆。多数研究者认为，在上述阐述所示含氧范围内，主要是氧的间隙固溶强化使晶格畸变而增加滑移抗力所引起的。2127㈡氮的影响氮在高温液态金属的溶解度是随电弧气氛中氮的分压增高而增大。氮在固态的α钛及β钛中均能间隙固溶。氮在α钛中的最大固溶度为7％左右，在β钛中的最大固溶度为2％。氮也是α稳定元素。氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，减低焊缝的塑性性能比氧更为显著，也就是N的污染作用比氧更为强烈。2227㈢H的影响随焊缝含氢量增加，焊缝冲击韧度显著降低；㈣C的影响⑴当C的质量分数为0.13%以下时，强度极限提高和塑性下降；⑵进一步提高含碳量时，焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹；⑶当焊缝中C的质量分数为0.55%时，焊缝塑性几乎全部消失，焊后热处理也无法消除。2327二、焊接接头晶粒易粗化由于钛的熔点高、热容量大，导热性差，焊缝及近缝区容易产生晶粒长大，引起塑性和断裂韧度降低。因此，焊接时对焊接热输入要严格控制，一般宜用小电流，快速焊。三、焊缝有形成气孔倾向气孔是较为常见的缺陷。形成的因素很多，也很复杂，O2、N2、H2、CO和H2O都可能引起气孔。一般认为氢气是引起气孔的主要原因，气孔多集中在熔合线附近，有时也发生在焊缝中心线附近。氢在钛中的溶解度随温度升高而降低，在凝固温度处有跃变。熔池中部比熔池边缘温度高，故熔池中部的氢易向熔池边缘扩散富集。防止焊缝气孔的关键是杜绝有害气体的一切来源。防止焊接区被污染。2427消除气孔的主要途径：用高纯度氩气进行焊接，纯度不应低于99.99％；焊前工件接头附近表面应进行机械清理，再进行酸洗，酸洗后应该用清水再清洗；选择合适焊接规范，选择时应考滤到焊接热过程对接头力学性能变化的影响。2527四、易形成冷裂纹由于钛及钛合金中硫、磷、碳等杂质很少，低熔点共晶难在晶界出现，而且结晶温度区窄和焊缝凝固时收缩很小等，所以很少含产生热裂纹。焊接钛及钛合金时极易受到氧、氢、氮等杂质污染，当这些杂质含量较高时，焊缝和热影响区性能变脆，在焊接应力作用下易产生冷裂纹。其中氢是产生冷裂纹的主要原因。氢从高温熔池向较低温度的热影响区扩散，当该区氢富集到一定程度将从固溶体中析出TiH2，使之脆化；随着TiH2析出将产生较大的体积变化而引起较大的内应力。这些因素，促使冷裂纹的生成，而且具有延迟性质。防止钛及钛合金焊接裂纹的措施，主要是避免氢的有害作用，减少和消除焊接应力。2