铜及铜合金

铜合金的制造

铜合金材料在运用于连接器的加工过程中，先是被加工成为薄片状的板材，然后切成条带形状以适应后面的冲压过程的需要。线材同样应用于连接器中，但是在端子组件和其他类型的连接器中这样的材料应用得很少。

图4.1描述了一个典型的薄板和条带铜合金的制造流程。此外在参考书目3中可以得到更详细的描述。合金线材以同样的方式制造但具有几个显著的特点：热挤压，轧制，和通过冲模的拉拔以改变热轧制和冷轧制在板材中的应用，以及退火处理过程经常用于这种产品。

连接器技术之 4.1.1 铜合金的制造

    溶炼和铸造 铜合金是最先用于可回收的商业应用的金属之一，这是因为工业上能用经济的办法将铜合金中的杂质维持在一个较低的水平。溶炼常用于电溶炉之中而少见于铜合金在真空和惰性气体下的溶炼和铸造过程中。碳层能提供一足够的保护。此外，利用真空或特殊的空气环境将会很大的增加合金制造的成本。

氢、氧和碳的污染影响由溶炼过程和热力学方法来平衡其溶炼层进行控制，其中氢能溶解于铜，氧能与铜和一些合金元素形成氧化物，而碳能与有碳化物组分的合金起反应。溶炼控制包括纯电解阴极铜和有选择的兼容合金碎屑。当一些纯组分如镍、锡、硅或起支配作用的合金如磷、铍、和铬合金组分增加时，都会引起合金成份改变。

板材锻造的制造过程是从不连续的铸造成大矩形横截面金属锭或薄铸片开始的。前述大金属锭的典型尺寸为约150 毫米厚，300 到900 毫米宽，并且经过热轧制处理以有效的减少其厚度并消除在铸造过程中残余的铸造微片。另一种铸造方法是薄铸片(常用于窄条状铸造材料)，其典型的尺寸是约15 毫米厚，150 到450 毫米宽，这些薄铸片将直接转到冷轧过程之中。选择条形铸造是基于经济上的考虑因素(热研磨需要较高的资金成本)以及合金的特性(一些铜合金不容易在热条件下工作)。

前述半连续且大的金属锭在铸造过程中垂直利用一个中空水冷的铜模，在开始时此铜模的下底部被封住。溶化的金属实际上并未象图4.1中所示的直接进入溶模。此溶化的金属通过一流槽及分配系统进入溶模，分配系统能通过一陶制阀系统控制金属的流量。底关闭部从溶模中降低，此时形成一稳定的固体外壳以容纳溶化的金属。铸造将继续进行直到一直冷(DC)金属锭形成以足够热轧制的长度。直冷(DC)金属锭处理的经济上的优点是几个金属锭可当溶炉中的溶化金属加入相邻的溶模时同时形成。此外接着通过热轧制在厚度方面的分离是一个快速有效的方法，尽管在轧制以前要经过重新加热。

水平方向进行的条状铸造将会产生呈盘旋状的薄片，此薄片的厚度是与冷轧中第一次分离的轧磨容易相配合的。薄片在制造中被切成盘旋状而不影响其铸造过程。铸造后的表面将会重新研磨加工以形成高的表面精度。锡青铜大多数情况下用于条状加工是因为其较差热环境下的工作性能，而黄铜可广泛用于热轧制中的大部分应用范围，一些合金制造商还将其用于条状铸造加工中。

连接器技术之 4.1.1 铜合金的制造

    热轧制 直冷锭在几小时之内加热以用于特殊合金温度的需要，这样就能通过回动研磨将其从25〜150 毫米的厚度减少约10〜25 毫米。在热轧制中快速减少其厚度是可能的，因为其温度变化可使合金快速再结晶而不是硬化。典型的预热温度是从850 到950℃。溶炉环境能有效的将氧化过程减小到中性的程度。此阶段形成的氧化物对其要求并不严格，因为现有的热轧制片将会在研磨中把表面氧化物及缺陷部清除。此外更重要的是热处理抹掉了纹理粗糙的铸造结构，这样就能达到均匀和较好的效果。

当热轧制完成后，而在水喷淬火及盘卷之前时轧薄片的温度大约在600℃左右。接着是用机械方法去除热轧制后的表面和边缘，此后合金片将要经过一系列的冷轧和退火处理以降低其表面粗糙度，其中退火处理能提高纹理的微观结构、促进其均匀性并得到所需的性能。

连接器技术之 4.1.1 铜合金的制造

    冷轧过程 经过制造商与一系列的轧制和退火加工相配合的冷磨处理之后将会得到一性能均匀和尺寸均匀重达1000 公斤的盘卷片。分离轧制过程在处理中的厚度可利用前后安排的四高研磨(four-high mill)(其中两加工轧制由一大直径的回程轧制)，以及独立，回程研磨。非常普遍的是通过一系列的研磨后过程可以得到最后的厚度和性能(如已知的Sendzemir研磨，其加工轧制是经过几组轧制实现的)大尺寸的厚度是通过接触计量器的盘旋长度来监测和控制，小尺寸的微观厚度是通过X-射线或伽玛射线来度量。线张力和轧制形状在轧制过程中可以调整以提供一均匀的条状尺寸。

连接器技术之 4.1.1 铜合金的制造

    退火 冷轧可减少条状厚度面增加合金强度但同时也降低了其延展性。有效加工过程中的持续性需要在加工过程中的薄片在其中的几处通过退火处理娈软。退火过程中的变软驱动力是轧制变形过程中存储能量的释放。新的纹理是从变形纹理中成形的，并且其尺寸也同时增加。至新纹理处的延伸是允许增加的，因为在成型性和强度上需要更好的纹理微观结构，此延伸是由退火温度及持续时间的选择决定的。

铜合金的退火是在同一溶炉的不同盘旋片中进行的，其温度将保持几个小时当开放的盘旋薄片通过一退火溶炉(请参照图4.1)。每一退火方法都有其优点和局限。成批退火其侧重点在于加重的前末端处理厚度；通过镀层厚度处理的退火能达到更大的灵活性，并且每一种方法之间可以相互替换。整炉退火处理是位于一可移动、类似钟形的内腔之中进行，且此内腔的下部封闭。在内腔的盘旋片是通过处于低氧和低湿度的氮或氮-氢成分的气体来防止其被氧化。而上述的气体在内腔快速循环。此内腔又被一更大的可移动的外部空腔所包围，以收容此加热源(燃烧气体或电加热)。内部钟形腔内的温度从250℃(一般用于纯粹的铜)到约650℃(用于一些铜合金)。表面质量是由被覆物所保持，而此被覆物可防止线圈之中包裹物的粘贴。残余的被覆物在之后的清除加工过程中将被去除。

合金线圈将在一到两个小时内达到均匀的温度，然后其设在一定温度并保持几个小时。通过去除了外层的容腔后退火的冷却速度将会加快。内部容腔及其内部的保护气体成分将一直保持到金属完全冷却，以避免其受到氧化。线圈的连续退火可利用将薄片(sheet)通过溶炉而实现，此溶炉还包括有一燃烧室以通过直接接触来对金属进行加热。氧化可通过控制气体成分来减少。对如图4.1中所安排的垂直溶炉来说，板材通过一顶端封闭部进入加热区，并且其冷却是利用冲击气体在从下端封闭部退出前进行。板材在低于出口部的水中淬火。排列成一直线的酸清洗和研磨刷将会在板材被盘卷之前完成，而此过程位于溶炉线之末端。

氢气是从压缩的氨水中提炼出来的，它可与氮气混合在一起而不发生化学反应。使用这些干凈气体的火炉除了可能水平放置并且具有更高的防止外面空气进入的密封装置外，具有与普通燃烧炉同样的特性，该火炉通常是在近似标准大气压下工作的。薄片(sheet)被外部的热蒸馏瓶(retort)或者火炉内部自配的电加热组件加热升温。薄片(sheet)在进入大气前被喷出的气体冷却。

在退火过程中，铜合金氧化被减少到了最低点，但是它是不能完全避免的。氧化的程度及形成的氧化物的耐火性依赖于合金组成成分同保护气体发生氧化反应的活性。非合金的铜和黄铜抗氧化能力相对强一些，因为退火温度低并且由于热力学原因，残余的氧化物及用于降低气压的露点形成控制要求是适度的。合金氧化物具有很活泼的元素，如金皮或铝，在商业许可的环境中不能逃避被氧化。酸浸(Acid pickling)(包括稀释的可与过氧化氢反应而生成更具腐蚀性物质的硫酸)和研磨刷及抛光被广泛地应用于确保不会引起印刷工具不可接受的磨损的高质量表面和材料。

连接器技术之 4.1.1 铜合金的制造

    后处理 合金型材制造的最后工艺－退火是相当关键的，因为这一步形成了一种材料以达到需要的性质。进行后续退火处理材料的厚度依赖于硬化合金以达到所需的强度或生成调剂的冷轧的次数。本节后续部分提供了冷轧选定合金的例子。为了提高合金材料的性能或降低内部残渣的弹性伸缩率，材料治炼过程常包括低温退火工艺。

为了消除片状材料的弯曲或提高其整个面板的平整度，片状材料可能在最后工序被拉紧抚平。拉紧抚平包括整块材料向相反方向顺序弯曲，啮全碾平，片状料板在拉力作用下同时保持平整。内部纲孔的数量在条料宽度各段会有所变化。来于内部纺织翻转和拉伸的反向弯曲的联合效应引起片状材料塑性变形并局部形成更好的配合邻接区域。片状材料中心处更多的塑性变形导致消除由转曲遗留的长边缘的皱形。延长边缘的水平装置用作消除中等宽度的弯曲。弯曲生产过程被设计来生产可能的最平的长条材料，该材料仅用于必要的更重要的场合。

被加工成宽度介于250mm 至800mm的薄料最终要用装在合适位置的转刀将之切开并压在冲模宽度。最终冲压件被象包扎薄饼似地轻轻地包装以便于运输。

铜及铜合金的焊接工艺

钢与铜及铜合金焊接时的主要困难是在焊缝及熔合区易产生裂纹。实践证实，为了保证焊缝具有足够高的抗裂性能，焊缝中铁的质量分数以控制在10%～43%为宜。

⑴焊接方法及焊接材料  低碳钢与铜及铜合金焊接时，可以分别采用手弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊。低碳钢与纯铜焊接时采用纯铜作为填充金属材料，如焊条TCu（T107）；钨极氩弧焊时，采用硅锰青铜QSi3-1焊丝。低碳钢与硅青铜、铝青铜焊接时，可采用铝青铜作填充金属材料。不锈钢与铜焊接时，采用镍或镍基合金作填充金属材料。

铜和铝的熔点相差达423℃，很难同时熔化，在熔池中会产生脆性化合物AlCu2、Al2Cu3、AlCu、Al2Cu等。当铜铝合金中含铜量在12%～13%以下时，综合性能最好，所以常采用铝焊丝。

铜-铝接头的埋弧焊见图7-19。为加速铜的熔化，焊丝应偏离铜板坡口上缘0.5～0.6δ(δ为焊件厚度)。铜侧开半∪形坡口，铝侧为直边，坡口中预置ф3mm的焊丝。当焊件厚度为10mm时，焊丝直径2.5mm，焊接电流400～420A，电弧电压38～39V，送丝速度332m/h，焊接速度21m/h。焊后，焊缝金属中铜的质量分数8%～10%为符合要求

铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定的强度等特性。在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航空航天工业中得到广泛应用。在纯铜（紫铜）中添加10余种合金元素，形成固溶体的各类铜合金，如加锌为黄铜；加镍为白铜；加硅为硅青铜；加铝为铝青铜等等。

    铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等工艺方法实现连接，在工业发达的今天、熔焊已占据主导地位。用焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊等工艺方法容易实现铜及铜合金的焊接。

    影响铜及铜合金焊接性的工艺难点主要有四项元素：一是高导热率的影响。铜的热导热率比碳钢大7~11倍，当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。二是焊接接头的热裂倾向大。焊接时，熔池内铜与其中的杂质形成低熔点共晶物，使铜及铜合金具有明显的热脆性，产生热裂纹。三是产生气孔的缺陷比碳钢严重得多，主要是氢气孔。四是焊接接头性能的变化。晶粒粗化，塑性下降，耐蚀性下降等。

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

  在手工电弧焊时采用紫铜焊条铜107，焊芯为紫铜（T2、T3）。焊前应清理焊接处边缘。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60~70º； 板厚大于10毫米时，开X型坡口，坡口角度为60~70º；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0.5～1.5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60~70º，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≥99.98%。

•        1、黄铜的焊接性   黄铜是铜锌合金，由于锌的沸点较低，仅为907℃，故焊接过程中极容易蒸发，这一点成为黄铜焊接的最大问题。在焊接高温作用下，焊条电弧焊时锌的蒸发量高达40%，锌的大量蒸发，导致焊接接头的力学性能和耐蚀性能下降，还使之对应力腐蚀的敏感性增大。蒸发的锌在空气中立即被氧化成氧化锌，形成白色的烟雾，给操作带来很大困难，而且影响焊工身体健康，因此，焊接黄铜的场所，应加强通风等防护措施。黄铜的焊接性不良，焊接时会产生气孔、裂纹、锌的蒸发和氧化等问题。为了解决这些问题，在焊接时常用含硅的焊丝，因为硅在熔池表面会形成一层致密的氧化硅薄膜，阻碍锌的蒸发和氧化，并防止氢的入侵。焊后可经470～560℃的退火处理，以消除应力防止“自裂”现象。

2、黄铜的焊接方法   生产中常用的焊接黄铜的方法是焊条电弧焊和氩弧焊等，其工艺要点如下：

（1）  焊条电弧焊  焊条采用青铜芯焊条，如ECuSn-B（T227）、ECuAl-C（T237）。补焊要求不高的黄铜铸件可采用纯铜芯焊条，如ECu（T107）。电源采用直流正接，V型坡口角度不应小于60°～70°。板厚超过14mm时，焊前焊件表面应仔细清理，清除一切会产生氢气的油类杂质。

操作时应当用短弧焊接，焊条不做横向和前后摆动，只沿焊缝的直线移动。焊接速度要快，不应低于0.2～0.3m/min。多层焊时，层与层之间的氧化膜及渣应清除干净。黄铜的铜液流动性大，故溶池最好处于水平位置，若溶池必须倾斜，则倾角不应大于15°

（2）  氩弧焊  手工钨极氩弧焊时，焊丝采用锡黄铜焊丝HSCuZ-1（HS221）、铁黄铜焊丝HSCuZn-2（HS222）、硅黄铜焊丝HSCuZn-4（HS224）。这些焊丝含锌较高，焊接时烟雾较大。亦可用青铜焊丝HSCuSi（HS211）、HSCuSn（HS212）。手工钨极氩弧焊焊接黄铜的焊接参数见表。

                手工钨极氩弧焊焊接黄铜的焊接参数

材料

板厚/mm         

坡口形式         

钨极直径/mm        电源种类及极性         

焊接电流/A         

氩气流量/（L/min）         

预热温度/℃

普通黄铜         

1.2         

端接         

3.2         

直流正接         

185         

7         

不预热

锡黄铜         

2         

V型         

3.2         

直流正接         

180         

7         

不预热

由于锌的蒸发破坏氩气的保护效果，所以焊接黄铜时应选用较大的喷嘴孔径和氩气流量。焊前一般不预热，只有焊接厚度大于10mm的接头和焊接边缘厚度相差比较大的接头时才需预热，后者只预热焊件边缘较厚的部分。

  电源可采用直流正接，也可以采用交流。用交流电源焊接时，锌的蒸发量较小。焊接参数宜采用较大的焊接电流和较快的焊接速度。厚16～20mm黄铜板的焊接参数为：焊接电流260～300A，钨极直径5mm，焊丝直径3.5～4.0mm，喷嘴孔径14～16mm，氩气流量20～25L/min。

  为了减少锌的蒸发，操作时可将填充焊丝与焊件“短接”，在填充焊丝上引弧和保持电弧，尽可能避免电弧直接作用到母材上，母材主要靠熔池金属的传热来加热熔化。焊接时，应尽可能进行单层焊，板厚小于5mm的接头，最好能一次焊完。

  焊后焊件应加热到300～400℃进行退火处理，消除焊接应力，以防止黄铜构件在使用时破裂。

铜和铜合金焊接工艺要点

一、是高导热率的影响。铜的热导热率比碳钢大7~11倍，当采用的工艺参数与焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材很难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。

二、是焊接接头的热裂倾向大。焊接时，熔池内铜与其中的杂质形成低熔点共晶物，使铜及铜合金具有明显的热脆性，产生热裂纹。

三、是产生气孔的缺陷比碳钢严重得多，与要是氢气孔。

四、是焊接接头性能的变化。晶粒粗化，塑性下降，耐蚀性下降等。

铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的特性和分类

铜具有很高的导电性、导热性和良好的塑性，有较高的低温强度和延伸率。因此，它广泛地应用在工业上制造导体、火焰导管、散热器和冷凝器等。在铜中加入锌、铝、锡等合金元素，形成各种铜合金。

铜及铜合金的分类，习惯上是按其表面颜色来分类的。

紫铜，又叫红铜，是指纯铜。工业纯铜以字母“T”表示，依其所含杂质多少，分为四个等级。

黄铜，是指铜锌合金。它的导热、导电性比纯铜差，但其强度、硬度和耐蚀性都比纯铜高，而且价格便宜。经常用于耐低温和耐气蚀零部件的制造。黄铜以字母“H”表示。在“H”后面的数字，代表铜的百分数，其余为锌。如“H62”，表示铜含量为62%的黄铜。

铜及铜合鑫的焊接特点

使用火焰功率大

由于铜及铜合金导热性强（如纯铜导热系数比低碳钢大八倍）。因此，焊接时要采取比焊低碳钢大的火焰功率。厚大工件还必须预热，否则基本金属难以熔化，产生未熔合现象。

变形大

由于铜及铜合金线膨胀系数和凝固收缩率较大，因此工件焊后易产生严重变形。对于刚度大的工作，内应力增大，使接头脆弱部分发生裂纹。内应力的存在是黄铜“自裂“的原因。

易产生气孔

铜及铜合金焊接易产生气孔的原因有两个：

由于铜在液态时溶解氢较多，但在凝固和冷却过程中，氢在铜中的溶解度却大大减少。过剩氢来不及逸出，则往往合焊缝或近缝区产生气孔或在金属内部造成很大压力，促使形成裂纹。

熔池中的氢或一氧化碳与氧化亚铜反应，生成水蒸气和二氧化碳不溶于铜液。在凝固时如未能全部逸出，便形成气孔或促使裂纹产生。

易产生裂纹

由于铜在液态时容易氧化，生成氧化亚铜，氧化亚铜与铜形成低熔点的脆性共晶体，造成偏析或存在于晶粒边界；由于上述内应力大或氢、水蒸气和二氧化碳造成的压力存在，因此，铜及铜合金的焊接，易产生裂纹。

合金元素的氧化和蒸发

铜合金中的合金元素不，一般比铜更易氧化。合金元素的烧损，降低了接头的机械性能，赞成焊接过程的困难。如焊接铝青铜时，铝氧化后生成难熔氧化铝，使熔池表面的熔渣发粘，阻碍基本金属和熔滴很好地熔合，容易生成气孔和夹渣。焊接锡青铜时，锡氧化后在焊缝中形成脆硬的氧化锡夹杂物，降低焊缝的抗蚀性。

黄铜中的锌沸点你（906℃），在焊接过程中极易蒸发，在空气中形成白色雾状的氧化锌。锌的烧损不仅降低了接头的机械性能和抗蚀性，而且氧化锌烟雾会引起焊工严重的慢性中毒。

铜及铜合金焊接的主要措施

通过铜及铜合金焊接特点分析，我们可以知道在铜及铜合金的焊接中，防止氧化和氢的溶解是主要问题。因此，我们采用含有脱氧剂（如磷、硅、锰）的焊丝，能溶解氧化铜生成的熔渣的铜焊粉；去除工件和焊丝吸附的水分，并采取焊前预热等措施。

紫铜的气焊

接头型式和坡口制备

紫铜焊接最常用的是对接接头，并根据基本金属厚度不同制备相应的坡口，坡口特点是无钝边。

焊丝和焊粉的选择

焊丝可选用含有脱氧剂的标准焊丝，如丝201和丝202，也可用一般紫铀丝或基本金属剪条，焊丝直径要比焊同样厚度的碳钢所用焊丝粗1/3。焊粉可选标准焊粉301。

焊炬和火焰的选用

如前所述，纯铜导热性高，应选用较大功率火焰。焊接火焰应严格采用中性焰。氧化焰会因铜的氧化，使焊缝溶氢量增加，也会产生气孔和裂纹。

焊前清理和定位焊

焊前使用钢丝刷或细砂布清理工作和焊丝表面的脏物，露出金属光泽。定位焊时，坡口间隙比低碳钢稍大0.5—1毫米，焊点较密。

预热和焊粉使用

焊前预热是去除工件和焊丝吸附水分，延缓熔池冷却速度，防止气孔和裂纹产生的有效措施。中小件的预热温度为400—500℃。达到此温度的标志是紫铜表面起波发黑，或者用木棍在焊件预热处划一下，木棍端部被烧黑，划时觉得表面发滑。厚大工件的预热温度是600—700℃。达到此温度时，紫铜呈暗红钯。对于厚度5毫米的铜板，可用另外一套焊炬预热。

焊粉的使用往往和预热连续在一起，在预热前，用焊炬加热焊丝，使其加热后沾上一层焊粉。当工件达到预热温度后，再向接头处洒上一层薄薄的焊粉，准备焊接。

左、右焊法的确定

焊件厚度小于5毫米的，采用左向焊法。大于5毫米的，采用右向焊法。为了保证熔透并填满坡口，可将焊件一头垫起，造成倾斜约为10°的上坡焊。

操作要点

为了减少铜的高温氧化，一般火焰的焰心末端离焊件表面比低碳钢稍高，为4—6毫米。

熔池形成温度控制。看到坡口处熔化液体冒泡，说明温度还未达到，至铜水发亮无气泡时，则可投入焊丝进行焊接。在这之前要不断用沾有焊粉的焊丝向焊接处熔敷焊粉。

因为铜液流动性大，焊炬运动要快，火焰围绕熔池上下左右运动、划圈、靠火焰的吹力，防止铜液四散。

厚度小于5毫米的焊件，为减少热影响区粗晶组织，应一次焊完。厚度大于5毫米的焊件，焊第二遍前要进行清理，否则焊接时会出现发渣、粘稠、气孔等现象，使焊接无法进行。

开始和收尾时焊炬与工件的夹角，和焊碳钢件相似，至于焊接次序，对于非封闭焊缝，也应从中间向两端施焊。

焊后处理

对于板厚小于5毫米的工件，焊后可立即用小锤轻轻敲击焊缝，以提高机械性能，疏散应力，碾死气孔，防止裂纹产生。

对于板厚大于5毫米的工件，可将焊缝加热到400—500℃，然后在热态下锤击。为改变热影响区粗晶组织，可将接头加热至暗红色（600—700℃），然后在水中急冷。

黄铜的气焊

由于气焊的火焰温度低，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。

焊丝和焊粉

焊丝采用丝221、丝224。这些焊丝中的硅、锡、铁元素既是脱氧剂，防止焊缝产生气孔，又能防止和减少锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的机械性能。不重要的焊缝也可用基本金属切条作焊丝。

气体熔剂，由硼酸甲醇的混合液（沸点55℃）挥发而成。由乙炔带入火焰中与氧反应生成硼酐（B2O3）、二氧化碳和水蒸气。硼酐凝结到基本金属及焊丝上。焊接时产生强烈脱氧作用，与氧化物生成硼酸盐，以盐膜状态浮在熔池表面，能有效地防止锌的蒸发。气体熔剂已成功地应用于黄铜的焊接和堆焊上。

火焰性质

预热时采用中性火焰，以免工件表面氧化。而焊接时应采用轻微氧化焰，这是因为轻微氧化焰虽然烧损一部分锌，使熔池表面形成一层氧化锌薄膜（熔点1800℃），但它支能防止 熔池中的锌大量蒸发。轻微氧化焰到何种程度为宜，一般是对好中性焰后，用手稍微调一下氧气调节阀，听到有“吃、吃”声就可以了。

焊粉的使用方法

一般不将焊粉洒在工件上。为了节省沾焊粉时间，将焊粉倒入长槽中，再把用焊炬加热的焊丝横放在焊粉中滚动，使焊丝表面沾上一层焊粉（约为0.5—1毫米厚），然后排列在倾斜的架子上，以备使用。

操作要点

焊炬上下跳动，不作横向摆动。焊速较快。其它与紫铜气焊相同。

高压氧枪MIG的铜钢焊接工艺

摘要

高压氧枪是钢铁公司炼铁设备中的重要不见，其部件中间管道走氧气往炉内加氧，外管是水循环管道，前头材料用纯铜铸造，铜导热率高，耐高温，散热快，后面铜管和钢焊接，形成一个氧气枪头。钢的另一头与设备焊接。

但其铜钢焊接时易产生气孔、裂纹等技术性问题，其成品率较低。针对这一问题，我们从焊接方法入手，选择加热，保温MIG焊的工艺进行试验，取得了成功，并在生产中取得了较好的经济效益。

高压氧枪主要用于炼铁高炉的加氧助燃，其工作环境恶劣，热辐射较强，为取得较好的导热率，延长气使用寿命，产品要求焊接后进行车床加工，焊口车平，光滑。水压试验1.5-2.0MPa,及着色、探伤、检验、X光探测等。

焊接工艺分析

铜钢的焊接性分析

难融合、焊缝成型能力差。

铜的导热率在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去，使加热范围扩大，焊接区难以达到熔合温度，母材和填充材难熔合。同在熔化温度时，表面张力比铁小1/3，流动性比钢大1-1.5倍，因此表面成型能力差。

焊接应力和变形差。

铜的线膨胀系数和变形比钢大15%，而收缩率比钢大一倍以上，再加上铜导热能力强，焊接时的大功率热源会使热影响区加宽，若工件刚度不大，则产生变形大；若刚度过大则产生较大的焊接应力。

易产生气孔，裂纹。

铜与钢焊接时焊缝产生气孔和裂纹，主要来源于焊材中（保护气，母材、焊丝及空气的入侵）的氢和水气。

焊接方法的选择

气焊由于效率低，大工件要求强度高，无法满足，不宜采用。

焊条电弧焊由于焊缝质量差，劳动条件差等缺陷也不宜采用。

TIG焊因焊接电流小，而氧枪类工件壁厚，要求的预热温度高，劳动条件恶劣，焊工无法靠近施焊区，不宜采用。

MIG焊有焊接效率高、相同电流下熔深大、焊接速度快、焊接变形小等特点，基本上克服以上三种焊接方法的缺点，是首选的焊接方法。

焊接材料的选择

焊丝和焊剂的选择

由于纯铜在焊接时易出现气孔，与钢焊接易出现热裂纹和焊不透，选用焊丝时除了满足对焊丝的一般工艺、冶金要求，最重要的是杂质的含量和脱氧能力。所以我们选用含脱氧元素的紫铜特制焊丝，即HSCUS201,直径2.0MM。

焊剂的作用是防止熔池金属氧化和其他气体侵入并改善金属的流动性。经过实验对比我们选用了CJ301熔剂。工件清理干净后，取适量CJ301粉状熔剂倒入容器内，用乙醇调成糊状，涂刷于焊接工件的坡口及两侧各30MM范围内。

保护气体的选择

在氩弧中，电弧电压和能量密度较低，电弧燃烧稳定，飞溅极小，成型效果好，故选用99.99%氩气。

四）工件坡口的设计

氧枪头部是纯铜铸造，壁厚为14MM，后部为钢管，壁厚是14MM，组合后形成一个封闭的内腔，无法采用x型坡口。我们采用V型坡口，坡口加工成如图1所示。这种坡口形式避免了焊接时另外加附衬板使水道减小及铜（CU）液从焊缝背面流失、焊穿等缺陷。

图一

五）焊前准备

组对清洗：用丙酮或汽油清除坡口两侧50MM范围内的油污、水分及附着物。用钢丝轮清除此范围内的氧化层，直至表面露出金属光泽。进行组队时，用三点组队法，点焊均匀，防止变形拉裂，然后安装在变位机的焊接工装上。

用CJ301焊剂把酒精调成糊状，均匀涂刷在工件坡口及两侧30MM范围，进行预热，使工件获得足够的热量，减小焊接应力，防止热裂纹。预热温度为400-450℃。需要说明的是进行MIG焊前，需要TIG焊打底焊一遍，因为MIG焊易焊穿及熔合不透。同时和焊接工艺参数配合。参数如下：

六）焊接工艺参数（表一）和焊接要点：

工艺参数表一

本工艺参数经多次试验，得到最佳电流、电压匹配效果，飞溅最小，焊缝成型良好。

焊接要点

钢与铜焊接时，焊缝是铁与铜的混合固溶体。因此，随着焊缝中含铜量的增加，产生热裂纹的倾向也加大。但是从生产实践中得知，当焊缝中的含铁量较低（如0.2%-1.1%）时，焊缝金属的结晶特点和紫铜焊接时差不多，所以焊缝的抗热裂性能较低。随着焊缝含铁量的增加，焊缝的抗热裂性能也相应提高。当含铁量为10%-43%时，焊缝抗热裂性能最高。但若再进一步提高铁含量，则焊缝的抗热裂性能反而迅速下降。所以焊接时，由于铜的热导率比低碳钢大得多，焊前要预热。我们用自己制造的电炉加热，预热温度为600-700℃，从观察口观看铜面为暗红色。焊接时，还应将电弧偏离坡口中心，残能保证焊接接头的力学性能。

七）焊接工艺过程

TIG焊打底完成后，向焊缝撒些干焊剂CJ301，以防焊缝氧化。然后加热，加温完成后保温0.5小时使整个工件温度均匀，然后进行施焊。将焊枪移至焊缝处第一层焊接位置，焊枪焊丝要偏离钢一面，焊丝离钢面一侧坡口2MM，喷嘴离焊件8MM-15MM,焊枪略爬坡10MM燃弧。此时听到轻微的“啪啪”声，启动变位机，使工件均匀旋转，向前焊即可。这时要注意，焊枪的位置随工件的旋转可能发生变化，要始终保持焊枪处于焊缝的最佳位置，即以上所述参数。如图所示（图二）：

图二

第一层完成后将焊枪移至焊缝铜面和第一层焊缝边中间进行施焊，同时加大电流电压继续向前焊接，注意观察熔池在两层接头处形成饱满的缓坡状接口。当盖面层焊完后要超过接头20-30MM，在此处将电流电压缓降，同时息弧。焊接完毕后，把工件从工装变位机上吊下来，用保温棉包裹，使工件缓冷，以防止裂纹。完全冷却后，进行车床加工，产品检验。

八）产品检验

1、外观：焊缝成型良好，无裂纹无气孔等不良缺陷。

2、经2.0Mpa水压，保压30MIN试验，无渗漏、冒汗等现象。

3、着色，渗透探伤（JB/T6062-1992）检验，II级合格。

4、X射线探伤根据GB3323-87,II级合格。

九）结论

高压氧枪采用加热后MIG焊的工艺焊接，焊后成型良好，质量完全能满足炼铁高炉的使用。但是也有不小缺点，如无法进行室外作业；设备较复杂，对使用和维护要求高等。随着我们技术水平的不断提高、设备的不断改进，这些问题将逐步得到解决。

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