紫铜常用焊接方法的焊接性分析

河南机电高等专科学校毕业论文 1 1 绪绪 论论 随着科学技术的不断发展 紫铜的应用范围日益广泛 但由于紫铜的特殊性能 给焊接工件带来了一定的困难 由于焊件厚度 特别是极薄 极厚件 结构形状的不 同 需要采用相应的焊接方法及工艺 才能获得优质的焊接接头及较高的焊接生产率 为了有效的掌握紫铜的焊接技术 必须进一步了解紫铜的基本性能 焊接特点 焊接材料 焊接设备 焊接操作方法及接头质量检测等内容 而紫铜的焊接比钢 铁 等黑色金属的焊接要复杂的多 在实际工作中 人们很需要掌握一紫铜焊接的基本理 论知识 具体焊接工艺参数和经验等资料 下面就紫铜的一些特性和焊接做一下介绍 分析 1 1 紫铜用途和消费紫铜用途和消费 由于紫铜具有优良的传导性能 机械强度大 延展性好好和鲜艳的金属光泽等使 其一度位居常用有色金属量之首 紫铜的应用领域包括 电气行业 这也是它的传统应用领域 像电线电缆 输电 设备 电工器材等 轻工业 主要是日用五金等 机械行业 各种工程 石化 矿山 床具 仪器仪表以及通用的基础设施等 交通运输业 主要是运输工具的生产 电子 邮电行业 像通信 雷达 电子计算机 电子元器件的生产 像其它的如军工 化工 等行业中业得到了广泛的应用 当前世界紫铜的消费量约为 1250 万吨 年 消费最多的国家好地区有美国 日本 中国 德国年消费量都在 100 万吨以上 其次韩国 中国台湾 法国和意大利的消费 量也都在 50 万吨以上 2 2 紫铜的焊接性分析紫铜的焊接性分析 2 12 1 紫铜的物理性能紫铜的物理性能 所谓紫铜就是纯铜 纯铜的外观呈紫红色 习惯上就称为紫铜 它是含铜量不低 于 99 5 的工业纯铜 纯铜密度为8 89g cm3 熔点是1087 紫铜是属于面心立方晶格 紫铜的主要性能 河南机电高等专科学校毕业论文 2 1 有优良的导电性 在金属中仅次于银 此外它的纯度越高导电性就越好 2 导热性好 仅次于金和银 3 在大气 海水中具有较好的耐蚀性 4 有良好的常温和低温塑性 但是在 400 700 高温下其强度和塑性显著降低 5 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 若再经 500 600 退火 可使其塑性完全恢复 由于其强度低 一般不用作结构零件 主要 用于制造导线和导电零件 以及散热器 热交换器中的传热元件 纯铜的牌号及用途是根据其含氧量的不同而划分的 常见纯铜的牌号 代号 成 分和性能见表 1 和表 2 表表 1 1 纯铜的化学成分和用途纯铜的化学成分和用途 化学成分 主要元素杂质 不大于 组别牌号代号 Cu PMnBiPbSPO 一号 铜 T199 95 0 020 0050 0050 0010 02 二号 铜 T299 90 0 020 0050 005 0 06 三号 铜 T399 70 0 020 010 01 0 1 纯铜 四号 铜 T499 50 0 030 010 01 0 1 一号 无氧 铜 TU199 97 0 020 0050 0050 0030 003 二号 无氧 铜 TU299 95 0 020 0050 0050 0030 003 磷脱 氧铜 TUP99 500 03 0 030 010 01 0 01 无氧铜 锰脱 氧铜 TUMn99 60 0 20 020 0070 0050 003 表表 2 2 纯铜的物理性能纯铜的物理性能 密度 g cm3 熔点 弹性模 量 MPa 导热系数 W m k 比热容 J g 电阻 率 10 8 线胀系 数 10 6K 1 表面张力系数 10 5 cm 8 8910871287003910 3841 6816 81300 由于紫铜的物理特性就使它的焊接性也和铁其它金属的不相同 二者的物理性能 见表 3 在紫铜的焊接时具有以下性质 表表 3 3 紫铜 铁二者的物理性能紫铜 铁二者的物理性能 河南机电高等专科学校毕业论文 3 导热系数 W cm k 金属 20 1000 比热容J 20 线膨胀系数 10 6k 1 20 1000 表面张力 10 5N cm 收缩率 铜 393 6326 60 384916 41300 1200 4 7 铁 54 829 30 460214 21845 1550 2 0 2 22 2 紫铜焊接时易出现的问题紫铜焊接时易出现的问题 1 焊接时难熔合 焊缝成形能力差 紫铜的导热性性强 热容量大 常温下紫铜的导热性比碳钢约大八倍 焊接时热 量迅速从加热区传导出去 焊件厚度越大 散热越严重 尽管紫铜的熔点 比热容都 比铁的小 但焊接区也难达到熔化温度 使母材和填充金属难以熔合 紫铜在熔化温度时的表面张力比铁小 1 3 流动性比钢大 1 1 5 倍 表面成形能 力差 尤其在大功率的 MIG 焊和埋弧焊时 容易导致熔化金属流失 为此 焊接紫铜 时除采用大功率 高能量密度的焊接方法外 还必须配合使用不同程度的预热 不允 许采用单面焊 单面焊时背面必须附加垫板 以控制焊缝成形 2 焊缝和热影响区热裂倾向大 紫铜在液体下易氧化生成氧化亚铜 可溶于液态紫铜而不溶于固态紫铜 而生成 熔点略低于紫铜的低熔点共晶 紫铜中杂质 Bi Pb 等本身熔点低 在熔池结晶过程中 它们与紫铜中分别生成熔点为 270 的 Cu Bi 熔点为326 的 Cu Pb 熔点为 1067 的 Cu Cu2S 等多种低熔点共晶 分布 在枝晶间或晶界处 使紫铜有明显的热脆性 如下图所示 焊缝处于固 液阶段时 热影 响区处的低熔共晶重新熔化 在焊接应力 下会产生热裂纹 热脆性状态图热脆性状态图 河南机电高等专科学校毕业论文 4 紫铜的导热性强 线膨胀系数大 焊接时变形大 紫铜的线膨胀系数比铁大 15 凝固时收缩率比铁大一倍以上 当焊接工件刚度大或采用某些防止变形措施时 变形 受阻就会产生较大的内应力 此外 紫铜在加热过程中无同素异构转变 晶粒长大倾 向严重 有利低熔点共晶薄膜的形成 这些都会致使焊接接头的热倾向增大 为此 在采用熔化焊接紫铜时 应采取以下冶金措施 以避免热裂纹的产生 1 严格限制紫铜中杂质 氧 铋 铅 硫等 的含量 2 增强对焊缝的脱氧能力 通过焊丝加入硅 锰 磷等合金元素脱氧 3 选用能获得双相组织的焊材 破坏低熔点共晶薄膜的连续性 打乱柱状晶的方 向 4 预热 缓冷等措施来减小焊接应力 减小根部间隙尺寸 并加大根部焊道尺寸 以防止裂纹的产生 3 气孔倾向严重 焊接紫铜时 产生气孔的倾向比低碳钢要严重的多 主要是由溶解在金属中的氢 直接引起的扩散性气孔和氧化还原反应引起的反应气孔 另外 由于紫铜自身的特性 也使气孔倾向大大加剧 成为焊接紫铜时的主要困难之一 1 氢在紫铜中的溶解度同钢中相似 溶解度随温度升降而增减 其变化如下图所 示液 固转变时有突变 但在电弧作用下的高温熔池中 氢在液态紫铜中的极限溶解度 紫铜被加热至 2130 蒸发温度前的最高溶解度 与溶点的溶解度之比高达 3 7 倍 而铁仅为 1 4 倍 这说明高温液态紫铜有较大的吸氢能力 焊缝金属结晶时 其氢过 饱和程度比碳钢焊缝大好几倍 2 熔池中溶于液态紫铜中的 Cu2O 随温度的下降及焊缝凝固不断有 Cu2O 析出 与氢反应生成不溶于紫铜的水蒸气 而促使生成所谓的反应气孔 其反应 氢在铜中的溶解度与温度的关系氢在铜中的溶解度与温度的关系 河南机电高等专科学校毕业论文 5 Cu2O 2H 2Cu H2O 紫铜的导热系数比铁高 焊缝金属结晶速度快 氢的扩散逸出和生成 H2O CO2的上浮 条件更恶劣 形成气孔的敏感性就自然增大 由上述分析可知 为了减少和消除紫铜焊缝中的气孔 主要措施是减少氢和氧的 来源和用预热来延长熔池的存在时间 使气体便于析出 采用含铝 钛等强脱氧剂的 焊丝或在紫铜中加入铝 锡等合金元素 都会获得良好的脱氧去氢减少气孔的效果 脱氧铜 铝青铜 锡青铜具有较小的气孔敏感性 原因也就在于此 4 接头性能下降 紫铜在焊接过程中 由于晶粒严重长大 烧损与杂质的渗入使焊接接头的力学性 能 导电性和耐蚀性下降 1 塑性显著降低 焊缝与热影响区晶粒变粗 各种脆性的低熔点共晶出现在晶界 削弱金属间的结合力 使接头塑性和韧性显著下降 例如 紫铜手弧焊或埋弧焊时 接头伸长率仅为母材的 20 50 左右 2 导电性下降 紫铜中任何元素的渗入都会使其导电性降低 3 紫铜焊接时常用的焊接材料紫铜焊接时常用的焊接材料 3 13 1 焊丝焊丝 焊接紫铜的焊丝除了要满足一般的工艺和冶金要求外 主要是要控制杂质的含量 和提高脱氧的能力 以避免热裂纹和气孔 我国常用的焊接紫铜的焊丝有 特制纯铜 焊丝和低磷铜焊丝 如表 3 焊丝中加入适量脱氧元素 硅 锰 磷等 可明显降低焊 缝中气体含量 并能提高电弧的稳定性 焊丝中加入的强脱氧元素铝 除了脱氧外还 可细化焊缝组织 提高接头的塑性和耐蚀性 但要注意 脱氧剂加入量过多会形成过 多的高熔点氧化物夹杂 焊丝中加入铁可提高焊丝强度和耐磨性 但会降低塑性 焊 缝含有少量钛可细化焊缝金属组织 提高强度 锡元素是适量加入会增加液体金属的 流动性 改善焊丝的工艺性能 为防止裂纹气孔的产生 焊丝中 Bi Pb S 等杂质的含量要少于 0 01 氧含量要 小于 0 1 焊丝中加入过多的磷 将会使接头的导电性显著下降 因此焊接有导电性要求的 紫铜时不宜选用含磷的焊丝 应选用纯度较高的纯铜焊丝 焊丝的选择要点 焊丝的选择要根据被焊钢材的种类 焊接部件的质量要求 焊 接施工条件 板厚 坡口形式 焊接位置 焊接条件 焊后热处理以及焊接操作等 经济成本等综合考虑 概括起来有三个方面 见表4 表表4 4 焊丝选择应考虑的因素焊丝选择应考虑的因素 河南机电高等专科学校毕业论文 6 接头性能 焊接性 实用性能 操作性能 工艺性 成型性能 生产效率 焊接材料选择 经济性 消耗费用 需要指出 焊接性因素还受母材成分和性质的影响 同时也与接头的尺寸 形状 和焊接工艺条件有关 因此 焊丝并不是决定焊接性的唯一因素 焊丝的选择将因这 些因素的变化而变化 焊丝选用要考虑的顺序如下 1 根据被焊钢种选择焊丝 对于碳钢以及低合金高强度钢 主要是按 等强匹配 的原则 选择满足力学性能要求的焊丝 对于耐热钢和耐候钢 主要是侧重考虑焊缝 金属与母材化学成分的一致或者相似 以满足对耐热性能和耐腐蚀性能等方面的要求 2 根据被焊部件的质量要求 特别是冲击韧性 选择焊丝与焊接条件 坡口形状 保护气体混合比等工艺条件有关 要在确保焊接接头性能的前提下 选择达到最大焊 接效率以及降低焊接成本的焊接材料 3 根据焊接现场位置选择焊接焊丝 对应被焊工件的板厚选择所使用的焊丝直径 确定所使用的电流值 参考各生产厂的产品介绍资料以及使用经验 选择适合于焊接 位置以及使用焊接电流的焊丝牌号 焊接工艺性能包括电弧稳定性 飞溅颗粒大小以及数量 脱渣性 焊缝外观与形 状等 对于碳钢和低合金钢的焊接 特别是半自动焊 主要是根据焊接工艺性能来 选择焊接方法以及焊接材料 焊接紫铜的焊丝除了要满足对焊丝的一般工艺 冶金要求外 最主要的是控制其 中杂质的含量和提高其脱氧能力 以避免热裂纹和气孔的出现 我国常用的紫铜焊接 用焊丝标准牌号 成分 见表5 表表5 5 国产紫铜标准焊丝国产紫铜标准焊丝 牌号名称主要成份 熔点主要用途 HS201SCu 2 特别紫铜焊丝 Sn 1 Si 0 4 Mn 0 4 Cu余量 1050 用于紫铜氩弧焊及氧乙 炔气焊时作为填充材料 具有焊接工艺性能好 焊 缝成型能力好 力学性能 高的特点 板厚不大于 3mm的 工件可预热至 150 300 大 于3mm的工件可预热至 350 500 HS201SCu 1 低碳钢焊丝P 0 3 铜余量 1060 用于紫铜氩弧焊及氧乙 炔气焊时作为填充材料 厚度较小的工件预热至 河南机电高等专科学校毕业论文 7 400 500 厚大工件 预热至 600 700 气 焊时 必须使用铜气焊熔 剂 紫铜焊接用焊丝主要加入了Si Mn P等脱氧元素 但必须注意 脱氧剂过多会造 成过多高熔点氧化物成为夹渣缺陷 焊丝中加入Fe可以提高焊缝强度和耐磨性能 但 其会降低焊接接头的塑性 Si元素的适量加入会增加液体金属的流动性能 进而改变 焊丝的工艺性能 3 23 2 焊条焊条 焊条的选用原则 选用焊条是焊接准备工作中很重要的一个环节 选用焊条时应 遵循以下基本原则 1 焊缝金属的使用性能要求 对于结构钢焊接 在同种钢焊接时 按与钢材抗拉强度等强度的原则选择焊条 异种钢焊接时 按强度较低的一侧的钢材选用 耐热钢焊接时 不仅要考虑焊缝金属 室温性能更主要的是根据高温性能进行选择 不锈钢焊接时 要保障焊缝成分与母材 成分相适应 进而保障焊接接头的特殊性能 对于承受动载荷的焊缝 则要选用熔敷 金属具有较高冲击韧度的焊条 对于承受静载荷的焊缝 只要选用抗拉强度与母材相 当的焊条就可以 2 考虑焊件的选择 刚度和焊接位置等因素选择焊条 结构复杂 刚度大的焊件 由于焊缝金属收缩时产生的焊接应力大 则应选择塑 性较好的焊条 同一种焊条在使用时 不仅要考虑力学性能 还要考虑焊接接头形状 的影响 因为在焊接对接焊缝时 强度和塑性适中的话 焊接角焊缝时强度就会偏高 而塑性却会偏低 对于焊接部位难以清理干净的焊件 应选用氧化性强的 对铁以及 油污等不敏感的酸性焊条 如此更能保障焊缝的质量 3 考虑焊缝金属的抗裂性能 焊件刚度较大 母材中碳 磷等元素的含量偏高或外界温度偏低时 焊件容易出 现裂纹 焊接时最好选用抗裂性较高的碱性焊条 4 考虑焊条操作工艺性 焊接过程中 电弧应当稳定 飞溅小 焊缝成形美观 脱渣容易 而且选用全位 置焊接 因此 应尽量选用酸性焊条 但是 首先要得保障焊缝的使用性能和抗裂性 能 5 考虑设备及施工条件 河南机电高等专科学校毕业论文 8 在没有直流电焊机的情况下 不能选用没有特别添加稳弧剂的低氢型焊条 当焊 件不能翻转而又必须进行全位置焊接时 则应选择能适合各种条件下空间位置焊接的 焊条 在密闭的容器内进行焊接时 除考虑加强通风外 还要尽可能的避免使用碱性 低氢型焊条 因为这种焊条在焊接过程中会产生大量的有害气体和粉尘 6 考虑经济合理 在同样能保证焊缝性能要求的条件下 应当选用成本较低的焊条 钛铁矿型焊条 的成本就比钛钙型焊条低的多在保证性能的前提下 应选用钛铁矿型焊条 紫铜手工电弧焊焊接时应选用铜焊条进行焊接 铜焊条分为紫铜焊条和青铜焊条 两类 焊条包括焊芯和药皮两部分 焊芯采用碳弧焊或TIG焊用标准焊丝 成分和所焊 材料相对应 焊条药皮大多采用低氢型配方 常用的紫铜焊条有型号 熔敷金属成分 力学性能和用途见表 6 表表 6 6 焊接紫铜用焊条焊接紫铜用焊条 焊缝金属力学性能 牌 号 型 号 药皮 类型 焊接 电流 和接 法 焊缝 化学 成分 b MP a 5 硬 度 HV 主要用途和力学性能 T107TCu Si 0 1 Pb 0 02 Mn 0 1 Al 0 1 Cu 9 9 176 20 110 130 用于焊接紫铜制交 换器 船舶用海水导 管等紫铜结构件 也 可以用于耐海水腐蚀 的碳钢零件的堆焊 不宜焊接含氧铜及电 解铜 工件导热 490 500 T207 TCu Si Si2 4 4 0 Mn 0 3 Pb 0 02 Cu 余 量 245 22 80 155 焊接硅青铜或在钢 上堆焊时 不需预热 焊接紫铜预热 450 焊接黄铜预热 300 T227 TCu SnB 低氢 型 直流 反接 Sn7 0 9 0 P 0 3 Pb 0 02 Cu 余 量 274 12 120 160 用于焊接紫铜 黄 铜 磷青铜等同种及 异种金属 也可以用 于铸件的 补焊及堆焊 焊前预热温度 磷青 铜 150 250 紫铜 450 碳钢 200 河南机电高等专科学校毕业论文 9 TCu SnA Sn5 0 7 0 P 0 3 Pb 0 02 245 15180 ECu 铜107 为紫铜焊条 在大气和海水中有良好的耐蚀性能 用于焊接脱氧铜 和无氧铜的结构件 如 电铜排 铜制热交换器 船舶用海水导管等 不宜焊接电解 铜以及含氧铜 焊前工件预热400 500 ECuSi 铜207 为硅青铜焊条 具有较好的力学性能和耐大部分有机酸 无机酸 以及海水的耐蚀性能 适用于紫铜 硅青铜以及黄铜的焊接和化工管道的内衬堆焊 ECuSiBC 铜227 为一种较为通用的铜焊条 其焊接接头具有一定的强度 良好 的塑性 冲击韧性 耐磨性和耐腐蚀性能 适用于紫铜 硅青铜以及磷青铜轴衬 船舶 推进器叶片的焊接 焊接紫铜时 预热温度为450 3 33 3 熔剂熔剂 气焊焊接过程中 被加热后的熔化金属极易与周围空气中的氧或火焰中的氧化合 而生成氧化物 Cu2O 使焊缝中产生气孔 夹渣等缺陷 为了保护焊缝 防止熔池金属 的氧化以及其他气体的侵入 并改善液体金属的流动性 再有色金属气焊焊接时 必 须采用气焊熔剂 气焊过程中 气焊熔剂是直接加入到熔池中的 再高温下 熔剂熔 化与熔池内的金属氧化物或非金属夹渣物相互作用形成熔渣 熔化熔池表面 覆盖熔 化的金属 从而防止熔池的氧化 进而改善焊缝金属的性能 在气焊时 也可以把需 要渗入的合金元素粉末混合在熔剂中加入熔池 达到过渡合金的目的 为使气焊熔剂起到应有的作用 对其有以下要求 1 熔剂用具有很强的反应性能 能迅速地溶解某些氧化物和某些高熔点的化合物 生成低熔点和易挥发的化合物 2 熔剂在熔化后应黏度小 流动性好 形成熔渣的熔点和密度应比母材和焊丝的 低 熔渣在焊接过程中浮于熔池表面而不停留在焊缝金属中 3 熔剂应能减少熔化金属的表面张力 使熔化的焊丝与母材能够更好的熔合 4 熔化的熔剂在焊接过程中 不应析出有毒气体 不应对焊接接头有腐蚀性等副 作用 5 焊接后的熔渣易被清理干净 由于熔焊焊接中各种焊接热源的热功率和温度差异很大 所以 不同的焊接方法 所使用的焊接熔剂也不相同 常用气焊熔剂见表 7 气焊用熔剂主要由硼酸 卤化物或 河南机电高等专科学校毕业论文 10 者它们的混合物组成的 如 QJ301 常用于紫铜的气焊其硼砂的熔点很低 在液态下 有很强的化学去膜能力 能迅速的与氧化铜反应生成硼酸的复盐变为熔渣 浮于熔池 表面 Na2B4O7 CuO Cu BO2 3 Na2BO3 硼酸的熔点仅为 580 加热脱水后变成硼酐 B2O3 它是很强的酸性氧化物 容易 与紫铜熔池中的碱性氧化物反应生成 CuO B2O3 2FeO3 B2O3等复盐也浮于熔池表面或 熔渣被清除 熔剂中的卤化物则是对熔池中的氧化物 Al2O3 起着物理溶解作用 时 一种活性很强的去膜剂 此外 还起到调节熔剂熔点 流动性以及脱氧性的作用 这 类熔剂实际上是综合化学和物理去膜作用的强活性熔剂 有很好的溶解效果 表表 7 7 常用气焊熔剂牌号 名称 成分以及基本性能常用气焊熔剂牌号 名称 成分以及基本性能 成分 牌号 名 称 Na2B4O7H3BO3NaFNaClKCl 其他熔点 基本性能 QJ301 铜 用 气 焊 熔 剂 17 577 5 AlP4 5 650 系硼基盐类 易潮湿 呈酸 性反应 能有 效地溶解氧化 铜和氧化亚铜 焊接时呈液态 熔渣覆盖于金 属表面 铜及 铜合金气焊 钎焊时的助溶 剂 QJ401 铝 用 气 焊 熔 剂 7 5 9 27 30 49 5 52 LiAl 15 560 卤组元素的 碱金属化合物 呈碱性反应 能有效地溶解 氧化铝 因具 潮解行 能在 空气中引起铝 腐蚀 焊后必 须将残渣清除 干净 铝及铝 合金气焊时的 助溶剂 3 43 4 气体气体 1 气焊用气体 1 氧气的选择 我国气焊用氧都采用气态 工业气态氧分为三级 一级纯度不低于 99 5 二级纯 度不低于 99 2 三级纯度不低于 98 5 氧气的纯度对气焊的质量和效率有很大的影 河南机电高等专科学校毕业论文 11 响 对于焊接质量要求较高的气焊 应采用一级纯度的氧 2 乙炔的选择 乙炔在氧的助燃下燃烧而放出大量的热能进而融化焊件 工业乙炔由电石经水分 解得来 对于焊接要求较高的气焊 应采用经净化和干燥处理的乙炔 3 氧 乙炔比例的选择 C2H2 2 5O2 2CO2 H2O 1302 7KJ mol 由式可知 乙炔与氧的比例达到 1 1 1 就能形成中性焰 此时 燃烧速度为 5 8m s 温度为 3100 而当混合比为 1 1 2 时 即氧化焰时 温度最高达 3300 但在紫铜气焊时不许采用氧化焰 故选择氧 乙炔比例为 1 1 1 2 TIG 焊用气体 不同的保护气体 其电 弧特性具有明显不同的特点 如右图 在相同的焊接电流下 氮气 和 氦气的功率分别是氩气的 3 5 倍 氦弧的穿透能力比氩弧增加 3 5倍 从提高电流的热效应来 看 采用氮弧或者氦弧是合适的 但研究表明 紫铜在氮气中焊接 熔池金属的流动性降低 焊 缝易生气孔 氦气密度较小 为获得良好的保护效果要消耗的气体量需增加 1 2 倍 成本太高 故大多情况下 选择氩气作为紫铜焊接的保护气 在一些特殊情况下 如 果焊接紫铜工件不允许预热或要求获得较大的熔深时 可采用70 氩气 30 氦气的 混合气 根据所给定条件 母材 T2 规格 板厚 10 可选择氩气作为保护气体 气体流 量为 14 21 L min 由公式 Q 0 8 1 2 D 式中 Q 氩气流量 L min D 喷嘴直径 mm D 小时 Q 取下限 D 大时 Q 取大限 在实际工作中 通常可根据工件选择流量 流量合适时 熔池平稳 表面没有渣 焊缝外形美观 表面没有气孔痕迹 若流量不 合适 熔池表面上由熔渣 焊缝表面发黑或者由氧化膜 氩气的纯度会直接影响到焊缝的焊接质量 我国氩气纯度的技术指标见表 7 如果 氩气中的杂质含量超过规定标准 在焊接过程中不但会影响对熔化金属的保护而且极 易使焊缝产生气孔 夹渣等缺陷 使焊接接头性能下降 并使钨极的烧损量增加 非熔化极在不同的保护气体中非熔化极在不同的保护气体中 焊接紫铜时的电弧特性焊接紫铜时的电弧特性 河南机电高等专科学校毕业论文 12 表表 7 7 我国氩气纯度的技术指标我国氩气纯度的技术指标 项目名称指标 氩含量 10 4 99 99 氮含量 10 4 70 氧含量 10 4 10 氢含量 10 4 5 总碳含量 10 4 甲烷计 10 水含量 10 4 20 综上所述 紫铜常用焊接方法的焊接材料根据所给条件 母材 T2 规格 板厚 10 其选择如下 1 手工电弧焊 焊接材料 T107 规格 6 mm 2 TIG 焊 焊接材料 焊丝牌号 HS201 规格 4 5mm 保护气体 纯度为 99 99 的氩气 3 气焊 焊接材料 HSCu 配 QJ301 填充焊丝直径 5 5mm 混合气体的比例 1 1 1 氧 乙炔比例 4 4 紫铜的焊接紫铜的焊接 紫铜常用的焊接方法有气焊 手工电弧焊 TIG 焊 手工钨极氩弧焊 氧 乙炔 气焊 自动钨极氩弧焊 自动熔化极氩弧焊 碳弧焊 等离子弧焊 钎焊等 针对焊接接头的性能的要求 可选择不同的焊接方法 一般说来 焊接紫铜需要 大功率 高能束的焊接热源 热效率越高 能量越集中对焊接越有利 见表 8 提供了 紫铜熔焊方法的选择 表表 8 8 紫铜熔焊方法的选择紫铜熔焊方法的选择 焊接方法 热线率 紫铜简要说明 钨极气体保护焊 0 65 0 75 好 用于薄板 小于 12mm 紫铜采用 直流正接 熔化极气体保护焊 0 70 0 80 好 板厚大于 3mm 可用 板厚大于 15mm 优点给更显著 电源极性为直流反 接 等离子弧焊 0 8 0 9 较好 板厚在 3 6mm 可不开坡口 一次焊 成 最适合 3 15mm 中厚板焊接 河南机电高等专科学校毕业论文 13 焊条电弧焊 0 75 0 85 差 采用直流反接 操作技术要求高 使用板厚 2 10mm 埋弧焊 0 80 0 90 较好 采用直流反接 适用于 6 30mm 中 厚板 气焊 0 35 0 55 尚可 易变性 成形不好 用于厚度小于 3mm 的不重要结构中 碳弧焊 0 50 0 60 尚可 采用直流正接 电流大 电压高 劳动条件差 已逐渐被淘汰 只用 于厚度小于 10mm 的紫铜件的焊接 紫铜中无氧铜比较容易焊接 而含氧铜的焊接性较差 无氧铜焊接时 1 没有氧化亚铜的不利作用 2 含有剩余的磷 它与加热或焊接时吸收的氧化合 可防止形成氧化亚铜 氧化 亚铜聚集晶界会降低焊缝的强度和韧性 由于紫铜对氢氧敏感 焊前必须将工件 焊丝表面的油污 水分 氧化物等清除 掉 采用单面焊时 尤其开坡口单面焊接头必须在背面加成形垫板 一般用铜 石墨 和石棉做垫板 防止液态铜流失以获得较好的焊缝成形 由于紫铜导热系数高 焊前 正常预热至 300 左右 我们在这里主要针对于紫铜的焊接方法中的气焊 手工电弧焊 手工钨极氩弧焊 做一下焊接工艺分析 4 14 1 紫铜的气焊 紫铜的气焊 在紫铜的结构件修理 制造中 气焊用得比较多 例如 常用于焊接厚度比较小 形状复杂 对焊接质量要求不高的焊件 在没有氩气供应的或不方便使用氩弧焊的地 方 一般也采用气焊 1 焊前准备 为保证两焊件的相对位置需要进行定位焊 定位焊长度 20 30mm 其间距约 150 300mm 定位焊所采用的填充焊丝与焊接时相同 定位焊 前 应在坡口间隙内涂一层气剂 火焰功率比焊接时稍大一些 大尺寸焊件的定位焊 用分段对称定位焊法 定位焊的余高不得超过坡口深度的 2 3 3mm 一下的薄紫铜板对接焊时 可以不采用定位焊 5mm 以上的紫铜板气焊时需开坡口 制定坡口的原则是应保证焊件边缘充分焊透 河南机电高等专科学校毕业论文 14 并且尽量使填充金属量减到最少 紫铜气焊时 常采用 HS201 HS202 焊丝和铜气剂 对于薄铜板可以用普通的紫铜 丝或从基体金属上切下的狭条做焊丝 而由特制气剂中加入的脱氧剂脱氧 在焊前 用清水将焊剂调成糊状 涂于焊件坡口及焊丝表面 或把焊丝在水玻璃 溶液 水玻璃和水的比例为 1 1 中寖湿后 放入储存气剂的槽中 并稍滚动一下 使焊丝表面均匀地涂上一层气剂 然后在空气中晾干 10 15min 为减少焊接内应力 防止出现裂纹 气孔 未焊透等缺陷 紫铜气焊时需预热 薄板 小尺寸焊件的预热温度为 400 500 厚度 尺寸较大的焊件 预热温度增至 600 700 预热的方法用氧 乙炔焰焊炬或煤气火焰炬 燃油喷嘴对焊件进行局部加热 也可 置于炉中作整体加热 在预热过程中 应防止焊件在高温下停留时间过长而发生氧化 现象 2 气焊工艺 火焰及焊嘴的选择 火焰及焊嘴尺寸对接头力学性能 焊接生产 率 焊接变形量等有很大的影响 紫铜气焊时 应严格选择中性焰 不能用氧化焰和 碳化焰 氧化焰容易引起焊缝裂纹 碳化焰中若含有过量的游离氢 会引起气孔 焊 缝疏松等缺陷 焊嘴的大小 实际上表示火焰功率 可根据焊件厚度 坡口形式 焊接位置及焊 工操作水平加以选择 焊嘴太小 容易形成未焊透 夹渣等缺陷 随着焊嘴尺寸的增 大 接头的热影响区增宽 金相组织变粗 焊后的变形量也增加 3 气焊的操作方法 紫铜气焊时 常采用左焊法 这有利于防止金属过热和晶 粒长大倾向 当焊件厚度大于 6mm 时 则采用右焊法 右焊法能以较高的温度加热紫 铜焊件 此外容易观察熔池 操作方便 在焊接过程中 焊炬 焊丝与焊件间应保持一定的角度 其三者的角度关系如下 在始焊处 焊炬与焊件成 600 900 随着焊接熔池的建立 焊炬与焊件间的角度 逐渐减小 600 700 时热量向前方 左右传导 根据焊件的溶化情况和焊接速度及 图图 9 9 右向焊法右向焊法 1 焊丝 2 喷枪 3 工件 4 焊缝 5 熔池 河南机电高等专科学校毕业论文 15 时向熔池加入填充焊丝 气剂 添加焊丝时要与焊炬的操作密切配合好 并随时将焊 丝向偏左方向拨动紫铜溶液 把铜液表面上的红色氧化亚铜拨去 为减少高温下焊缝 金属的氧化倾向 在添加焊丝工程中 应尽量避免焊丝端部与火焰焰心接触 一般火 焰中心的圆弧一半接近焊缝金属 另一半接近焊丝 焰芯距焊件表面的距离约为 3 10mm 焊接厚度较大或间隙较小的焊件时 应尽可能压低火焰 以增加焊透深度 从更好地熔透焊件和填满焊接坡口考虑 可以将焊件置于与水平方向倾斜 70 100 并 采用上坡焊 焊接过程偶尔中断时 焊炬缓慢的离开熔池 防止熔池突然冷却而产生 的裂纹 气孔等缺陷 紫铜气焊时 可采用较快的焊接速度进行单面 单层焊 即使是比较厚的焊件 也不宜采用过多的焊接层数 因为多次焊接加热容易引起热影响区晶粒长大 且增大 焊接变形量 焊接 1m 以上的长焊缝时 采用顺序焊接 先用分段退焊法焊完焊缝的 2 3 然后从另一方向焊完其余的焊缝 磷脱氧紫铜板开 I 形坡口对接焊的气焊工艺参 数见表 9 表表 9 磷脱氧紫铜板的气焊工艺参数磷脱氧紫铜板的气焊工艺参数 板厚 mm 填充焊丝直径 mm 根部间隙 mm 乙炔气流量 L min 预热气流量 L min 焊炬及焊嘴号 1 51 6无4无 H01 2 焊炬 4 5 号焊嘴 3 02 01 56无 H01 6 焊炬 3 4 号焊嘴 4 53 02 0812 H01 12 焊炬 1 2 号焊嘴 6 04 03 01212 H01 12 焊炬 2 3 号焊嘴 9 05 04 51416 H01 12 焊炬 3 4 号焊嘴 河南机电高等专科学校毕业论文 16 为保证充分焊透 宜选用的火焰功率一般比碳钢焊接时大 1 1 5 倍 焊后处理为获得细晶粒 高韧性的紫铜气焊接头 焊后 可以对紫铜焊件进行锤 击及局部 整体的退火处理 焊缝的锤击 使用球形或平面铁锤 厚度小于 5mm 的焊件在冷态下锤击 5mm 以 上的焊件在 250 350 间锤击 锤击时应尽量避免影响到焊缝表面的成形 焊件的焊后局部退火处理 一般是在焊件接头附近 100mm 处 用氧 乙炔火焰加热 到 550 650 然后放入水中急冷 10mm 厚的紫铜气焊接头经上述退火处理后 其性 能与基体金属相近 残留在焊缝表面及其附近两侧的熔渣 熔剂会引起焊接接头的腐蚀 所以要在焊 后 3 6h 内仔细地清洗掉 4 24 2 紫铜的手工电弧焊 紫铜的手工电弧焊 紫铜的手工电弧焊是最简单的一种焊接方法 紫铜手工电弧焊时 应采用较大的 间隙 较大的破口角度 较密的定位焊缝 较高的预热温度和焊道层温以及较大的焊 接电流 手工电弧焊中所用的焊条能使焊缝中含氧量 含氢量曾加 其中的锌蒸发严 重 容易形成气孔 因此在焊接过程中应严格控制焊接工艺参数 焊接紫铜用的焊条 一般为碱性低轻型 采用直流反接 焊接电流根据焊件厚度 工件尺寸 焊条直径和 预热温度来确定 随着预热温度的提高 焊接电流可适当减小 焊接时应用短弧 焊 条不作横向摆动 沿焊缝做直线往复运动 长焊缝应采用逐步退焊法 焊接速度应尽 可能快 更换焊条的动作要迅速 多层焊时须彻底清除焊缝层间的渣壳 常用的紫铜 焊条有 T107 T227 两种 焊前准备及焊接工艺如下 1 焊前准备 由于紫铜的导热性好 为防止焊缝起始段 即引弧处 出现未焊透 缺陷及飞溅增大等现象 板厚大于 3mm 的焊件 焊前必须预热 多层焊的层间也应进 行预热 预热温度要根据材料的导热率和工件的厚度等来确定 紫铜的预热温度一般为 300 600 随着焊件厚度和外形尺寸的增大 预热温度也应相应的提高 预热温度 为去除焊条药皮中吸附的水分 焊前应将焊条烘干 烘干温度为 200 250 烘 焙时间 1 2h 紫铜手工电弧焊时 为了改善焊接接头的性能 同时减小焊接应力 焊后可对焊 缝和接头进行热态和冷态的锤击 对要求较高的接头 应采用焊后高温热处理消除应 力和改善接头韧性 为了控制焊缝背面成形 常采用紫铜垫板或石墨垫板 紫铜垫板 的机械强度高 变形后容易校正 还可以重复使用 特别适用于环缝的焊接 石墨垫 12 06 04 51616 H01 12 焊炬 3 4 号焊嘴 河南机电高等专科学校毕业论文 17 板的熔点很高 导热性差 随着焊接过程的进行石墨垫板的温度会逐渐升高 因此焊 缝的熔宽有变化 此外石墨烧损后形成的 CO 气体还会影响到焊缝的质量 2 焊接工艺要点 一般的交直流弧焊机都可以用来焊接紫铜 焊接极性为反极性 接法 焊接电流应根据焊件厚度 焊件外形尺寸 焊条直径和预热温度来选择 随着预 热温度的提高 焊接电流应相应的减小 紫铜电弧焊的工艺参数如表 11 表表 1111 紫铜手工电弧焊的工艺参数紫铜手工电弧焊的工艺参数 厚度在 5mm 以上的紫铜板 适宜加工成 V 形坡口 上表的焊接电流值与焊件的预 热温度有关 不预热的焊件所用的焊接电流值比预热的要大 坡口形式如下图所示 中等厚度紫铜件焊接时 可用细紫铜丝将 2 3 根焊条相扎在一起作为一根焊条进 行焊接 这样可以允许通过较大的电流 从而提高焊接生产率 例如 3 根直径为 4mm 的焊条捆扎后可选用 600A 的焊接电流 焊件预热温度 500 600 3 操作方法 焊接方向为右向焊法 弧长要短 焊条倾斜角度 450 焊条可沿着 焊接电流 A 板 厚 mm 坡口形式焊条直径 mm 预热不预热 备注 2 对接 3 2 100 150开 I 形坡口 3 对接3 2 4100 160160 210开 I 形坡口 4 对接 4 140 180200 260开 I 形坡口 5 V 形坡口4 5150 220300 350坡口角度 600 700 6 V 形坡口4 5200 230350 380坡口角度 600 700 8 V 形坡口5 7200 280350 400坡口角度 600 700 10 V 形坡口5 7200 280350 400坡口角度 600 700 22 双 V 形坡 口 4 260 300 共焊四层 手工电弧焊坡口形式及尺寸手工电弧焊坡口形式及尺寸 河南机电高等专科学校毕业论文 18 焊缝作往复运动 使焊缝金属处于液体状态的时间较长些 为溶入熔池中的气体逸出 提供条件 移动焊条时应特别小心 并经常注意焊条药皮的熔化及熔池的覆盖情况 防止产生夹渣缺陷 焊接过程中从大气 水分 紫铜基体金属溶入熔池的氧对焊接接头力学性能的影 响甚大 因此除了彻底清理焊件 严格烘干焊条外 在工艺上还应缩短电弧长度 这 就有利于焊接熔池的保护 5 6mm 厚 T3 紫铜板手工电弧焊时焊缝含氧量对力学性能的 影响如表 12 表表 1212 焊缝金属中的含氧量对接头力学性能的影响焊缝金属中的含氧量对接头力学性能的影响 b 焊件厚度 mm 焊缝金属中的含氧量 无余高有余高 0 试样断裂位 置 50 01210206180 基体金属上 50 0314612594 熔合线 60 0612057 熔合线 60 06879435 熔合线 60 06114 752 熔合线 很明显 当焊缝金属中的氧含量 0 01 时 可获得优良的焊接接头力学性能 装换焊条要迅速 若电弧突然中断时 应在熔池后 距停弧处 10 20mm 重新引 燃 然后再逐渐填满中断处的弧坑 当整个焊接工程结束后 要缓慢的结束电弧 填 补好弧坑 对于较长的焊缝要采取分段退位焊 焊接速度尽可能快些 以减少焊件的变形量 和焊接接头的过热倾向 紫铜电弧焊时会产生较多的烟尘 金属蒸汽等有害物质 所以要在空气流动的场 所进行操作或采用电焊吸尘器 以排除粉尘 有害气体 烟尘 有害气体从电焊烟尘吸收器的罩口收入 通过塑料波纹管导入烟尘吸收器 壳体 然后经过三级过滤器过滤后进入风机 再由风机出口端经壳体旁的出口孔排出 此时排出的气体为清净的空气 电焊烟尘吸收器的主要技术参数如下 排烟量大于 3m2 min 最大排烟速度小于 30m min 电源电压 220V 功率 1000W 风机转速 1900r min 真空度 23520Pa 软管 直径 50mm 长 3m 滤布能任意调节 噪声小于 73dB 实际测试结果表明 采用普通的电焊吸收器可对焊接烟尘 有害气体起到很好的 过滤净化作用 总颗粒物的净化效果为 99 95 尘氟的净化效果 99 3 二氧化锰的 净化效果 97 该器对臭氧 CO CO2三种有害气体均有较明显的降低效果 紫铜的手工电弧焊应在空气流通的地方进行或采用人工通风 以排除烟尘及有害 气体 焊后可用小锤敲击焊缝 消除应力很改善焊缝质量 河南机电高等专科学校毕业论文 19 4 34 3 TIGTIG 焊焊 目前手工钨极氩弧焊 TIG 已成为紫铜的主要焊接方法之一 紫铜的钨极氩弧焊是 在氩气保护层下 借直流电流通过难溶的钨极 又称不熔化极 及焊件 在两者间引 燃电弧 由电弧熔化紫铜填充焊丝及基体金属而形成焊缝的一种方法 电弧周围的氩 气保护层机械地将金属熔池 焊丝端部与空气相隔离 从而有效地防止了空气的侵入 这种焊接方法操作灵活 方便 用钨极氩弧焊 TIG 焊接紫铜可以获得高质量的 焊接接头 具有电弧能量集中 保护效果好 热影响区窄 操作灵活的优点 特别适 用于中 薄板和小件的焊接及补焊 由于钨极的使用受到限制 因而手工钨极氩弧焊 常用于焊接较薄的焊件及打底焊 以焊厚度在 3mm 以下的薄件最为适宜 焊接板厚小于 3mm 的构件 不开坡口 一般不加填充金属 板厚在 4 10mm 时 一般开 V 形坡口 需加填充金属 板厚大于 10mm 开双 Y 形坡口 TIG 焊一般不推荐用 于厚度大于 12mm 紫铜的焊接 大多数紫铜的 TIG 焊采用直流正接 以获得最大的熔透厚度 焊接时通常采用左 焊焊法 焊前用高频振荡器引弧或在碳块 石墨块上接触引弧 然后移入坡口区焊接 1 填充焊丝及设备 填充焊丝 紫铜氩弧焊用的填充焊丝有 HS201 HS202 紫铜焊丝 硅青铜焊丝 锡 青铜焊丝 对于焊接质量要求不高的产品 也可用不含有脱氧元素的普通紫铜丝 但 需添加焊剂 CJ301 在焊前用无水乙醇 酒精 将 CJ301 调成糊状后刷涂于焊件坡口表 面 焊接设备 紫铜氩弧焊用的焊机型号有 NSA4 300 NSA1 300 2 SW 300 500 交 直流两用氩弧焊机 WSE 315 500 交直流两用氩弧焊机 NZA 500 1 NZA18 500 NZA7 200 等 氩弧焊机由直流焊接电源 控制箱 焊枪及供气系统所组成 常用 直流氩弧焊机的主要技术参数如表 13 表表 1313 常用直流氩弧焊机的主要技术参数常用直流氩弧焊机的主要技术参数 焊机型号 焊接电流调节范围 A 配用电源焊机特点 NSA4 300 20 300 ZXG7 300 1 用于手工钨极氩弧焊 NSA1 300 2 20 300 ZXG 300N 10mm 以下紫铜的手工 氩弧焊 SW 500 25 625 电源与控制箱组合在一 起 交直流两用氩弧焊机 空载电压 80V WSE 315 30 315方波电源 交直流两用钨极手工 氩弧焊机 空载电压 80V 河南机电高等专科学校毕业论文 20 WSE5 500 20 500方波电源 交直流两用钨极手工 氩弧焊机 空载电压 80V WSE 315 15 315方波电源 交直流脉冲无机氩弧 焊机 脉冲频率 0 510Hz NZA 500 1 50 500 ZDG 500 1 自动直流氩弧焊机 焊接速度 58m h NZA7 200 20 200 ZXG 200N 焊接直径20 200mm 壁厚 0 53mm的无氧铜管 焊 机 机头可全位置转动 焊接电源常用晶闸管弧焊整流器 中等厚度以上紫铜板焊接时 适宜选用功率较 大的直流电源 如 ZX5 400 630 1000 晶闸管弧焊整流器 ZDG 1000R ZPG7 1000 型 硅整流弧焊电源 在缺乏专用的氩弧焊机条件下 可自制简易的直流手工氩弧焊机 焊机的电源可 从现有的直流弧焊机中选取 如 ZX5 400 630 GS 500SS GS 400SS ZPG7 1000 等 焊机 再购置一把通用的水冷式氩弧焊焊炬及自制一台简易的氩弧焊机控制箱 小于 1mm 的薄紫铜板焊接时可采用 WSM 250 型直流钨极脉冲氩弧焊机 紫铜氩弧焊时电弧的引燃通常采用高频振荡器 PG 1 PG 2 型 由高频振荡器 产生的一个高频 150 260kHz 高压 2000 3000V 火花将电极与紫铜焊件间的气 隙击穿 并使之电离而引燃电弧 高频振荡器上火花放电器的钨极间距在 0 5 1 0mm 间 如发现高频放电能力较弱 时 可用砂布擦拭火花放电器上的钨极触头 在临时性的试验及一般的修补工作中 还可省略控制箱 仅装设一个手动或脚踏 开关 使其接通 脱开高频振荡器 而氩气流量的控制由手工实现 气体流量计的型 号为 AT 15 AT 30 型两种 2 焊接工艺要点如下 1 引弧 通常用左焊法施焊 为了保证焊接质量 手工 TIG 焊采用引弧装置引弧 如高频振荡器或高压脉冲发生器 使氩气电离而引燃电弧 这种引弧方法的优点是钨 极与焊件不接触就能在施焊处直接引燃电弧 焊缝金属不易产生夹钨缺陷 2 没有引弧装置时 可以用石墨板 紫铜板或不锈钢板做引弧板 电弧先在引弧 板上引燃 稳定后再移到焊接处 决不允许钨极与焊件坡口表面直接接触引弧 3 填丝 焊枪应尽量均匀 平稳地向前做直线移动 保持恒定的电弧长度 不需 添加焊丝的对接焊时 如卷边接头 弧长控制在 1 2mm 需添加焊丝时 弧长为 2 5mm 4 添加焊丝时须待坡口两侧熔化后再从熔池边缘送进焊丝 填送焊丝要均匀 送 丝速度的快慢要适当 要与焊接速度相适应 焊丝端头应始终处于熔池前端氩气的有 河南机电高等专科学校毕业论文 21 效保护区内 但不能将焊丝直接放在电弧下面 送进焊丝的角度要适中 不可把焊丝 抬得太高 不应让熔滴向熔池中 滴渡 5 切忌污染钨极 即焊丝与钨极相碰或钨极与熔池接触而发生的瞬间短路 若由 于操作不慎发生这种情况 应立即停止焊接 认真清理焊件上的被污染的焊缝金属 直至露出无缺陷的金属光泽 被污染的钨极可在引弧板上重新引弧 把黏附在钨极上 的填充金属完全熔化掉 或将钨极端部重新修磨好 6 厚板多层焊时 焊接层数不宜过多 打底焊时要保证熔合良好 控制好背面成 形 并要有一定的厚度 约 2 3mm 以后各层以窄道焊施焊 焊枪不做横向摆动 层 间温度不低于预热温度 层间要用不锈钢丝刷或铜丝刷清理焊缝金属表面的氧化物 7 7 12mm 紫铜板的焊接 可采用双人双面同时向上立焊的方法施焊 焊件直立 放置 两名焊工从两侧面对接头同一部位进行焊接 不必清焊根 可提高生产率和焊 接接头质量 双面钨极氩弧焊的工艺参数如下表 14 表表 1414 紫铜双面钨极氩弧焊的焊接规范紫铜双面钨极氩弧焊的焊接规范 板厚 mm 接头形式 接头间隙 mm 焊接电流 A 焊接电 压 V 氩气流量 L min 4 开 I 形坡口对接 3 150 每台焊机36 4010 12 6 开 I 形坡口对接 3 220 每台焊机36 4214 16 8 开 I 形坡口对接 4 260 每台焊机38 4218 20 10 对接 单边侧角 100 1504 4 280 每台焊机40 4420 22 12 对接 单边侧角 100 150 4 320 每台焊机40 4422 24 8 焊件厚度较小时 可使焊件半直立 即焊件倾斜 450 让其中一名焊工专门进 行预热处理 另一名焊工在正面一侧进行焊接 3 操作方法 焊接方法一般采用左焊法 焊前用高频振荡器引弧或在碳块 石墨 块上接触引弧 待电弧