铜合金焊接工艺及焊接质量控制

铜合金焊接工艺及焊接质量控制

一、焊雌术的发展及在铜合金焊接中的应用

（一）焊接技术的发展

L古代发展

焊接技术是随着金属的应用而浮现的，古代的焊接方法主要是铸焊，钎焊

和锻焊。

战国时期的刀剑武器等刀刃为钢，刀背为熟铁，普通是经过加热锻焊而成

的。

古代焊接技术长期停留在铸焊，锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉

火，温度低，能量不集中，无法用于大截面，长焊缝工件的焊接，只能用以制

造简单的饰品，工野口武器。

2,近现代发展

19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙焕焰两种能局部熔化金属的高温

热源；18851887年，俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900又浮现了铝

砥。

20世纪初，碳极电弧焊温和焊得到应用，同时还浮现了薄药皮焊条电弧

焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧

焊进入实用阶段,电弧焊从20年代成为一种重要的焊接方法。

2

1951年，苏联发明电渣焊成为了大厚度工件的高效焊接方法;1953年，

苏联又发明二氧化碳保护焊，促进了气体保护电弧焊的发展，如浮现了混合气

体保护焊，药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。

1957年美国盖奇发明等离子弧焊；40年代德国法国相2能发明电子束焊，

也在之后得到实用和进一步发展；60年代又浮现了激光焊;这标示着高能量密

度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其它方法焊接的材

料和结构得以焊接

3

1887年美国汤普森发明电阻焊，用于薄板的电焊和缝焊；缝焊是最早的半

机械化焊接方法，之后又浮现了闪光对焊方法焊接棒材和链条，至此电阻焊进

入实用阶段。

到目前为止，焊接技术已经有20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍

处于继续发展之中。

一方面，材料学进入21世纪已显示出以下的变化趋势，即从黑色金属向有

色金属变化；从多维材料向低维材料变化；从单一材料向复合材料变化。新材

料的连接对焊接技术提出了更高的要求。

另一方面，基于计算机技术的先进创造技术如计算机辅助焊接(CAM)、焊

接机器人、计算机集成创造系统(CIM)to等蓬勃发展，正从信息化、集成

化、系统化、柔性化等几个方面改变着焊接技术的生产面貌。

(二)焊接技术在铜合金中的应用

铜具有优良的导电性和、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定强度等特性。

在电电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天工业中应用广泛在纯铜中加

入十余种合金元素，形成固溶体的各类合金.铜及铜合金可用钎焊、电阻焊等

方法实现连接，在工业发达的今天，熔焊已占领主导地位。用TIG焊、焊条电

弧焊、MTG焊等焊接工艺方法易实现铜及铜合金的焊接。

1、紫铜的焊接

焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氢弧焊等方法，

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；

3

另一种是普通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

4

焊件厚度大于4毫米时，焊前必须预热，预热温度普通在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

除应力和改善焊健质量。

⑶紫铜的手工氮弧焊?在紫铜手工氮弧焊时，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，普通不留钝边。

根据板厚和坡口尺寸，对接接头的装配间隙在〜毫米范围内选取。紫铜手工筑

弧焊，通常是采用直流正接，即铝极接负极。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，减少氮气消耗量，并预热焊件。板厚小

于3毫米时，预热温度为150-300C；板厚大于3毫米时，预热温度为350-

500re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温和

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、手工电弧焊和氧弧焊。

(1)黄铜的气焊

4

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1/2素，能够防止和减少熔池中

锌的蒸发和烧损，有利于保证焊健的性能和防止气孔产生。气焊黄铜常用的熔

剂有固体粉末温和体熔剂两类，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

5

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。焊前焊件表面应作子细清理。坡口

角度普通不应小于60-70º,为改善焊健成形，焊件要预热150-25CTC。操

作时应当用短弧焊接，不作横向和先后摆动，只作直线挪移，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）黄铜的手工氮弧焊

黄铜手工氮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份的材料作填充材料。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，惟独板厚

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300T00。。进

行退火处理，消除焊接应力，以防止焊件在使用过程中裂舞。（4）黄铜碳弧焊

黄铜碳弧焊时，根据母材的成份选用丝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，在氧气的保护下，熔池纯净，气孔少，热裂影响小，操作易掌握。厚

度44nlm时可不用焊前预热，直接用氮气预热，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℃o铜合金焊接预热200—300C。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

1IG焊机可用父流HG焊接铝青铜（用父流方波清除表面氧化膜）及用直流I'I（；

焊接上述铜材。

5

近年来，采用MIG方法焊接铜及铜合金的施工越来越多，特别对于厚

度23mm的铝青铜、硅青铜和白铜最好选用MIG焊方法。厚度314nlm或者

>14nun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（

普通为T1G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400~60（TC,铜合金200~300C）,焊丝与母材

化学充分相似,氨气纯度??

（三）铜合金焊接的发展趋势

随着焊接技术的发展，铜合金焊接技术的发展趋势主要体现在一下几个方

面：

6

L能源方面，首先是对现有热源的改善，其次是开辟更好的、更有效的热

源、第三是节能技术。

2.多传感器信息智能融合技术，随着机器人系统中实用的传感器种类和数

量越来越多，各种新型传感器的不浮现。利用各种传感信息，获得随环境的正

确理解，是机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性。

3.计算机技术的应用。

4.提高焊接生产效率。即提高焊接熔敷率和减少坡口截面及熔敷金属量。

二、铜合金简介

铜合金以它独特而优越的综合性能，获得广泛的用途。铜合金具有优良的

导电性、导热性能，高的抗氧化性以及耐淡水、盐水、氨碱溶液和有机化学物

质腐蚀的性能，但易在氧化性酸中腐蚀。铜合金具有良好的冷热加工性能和较

高的强度。铜合金在电气、电子、化工、食品、动力、交通、航空、航天及兵

器等工业中得到了广泛的应用。

（一）铜合金的分类

（1）纯铜

纯铜是指含Cu的质量分数达95%以上的所谓的工业熟铜。由于其导电导

热性能极好多用于创造电线、电缆、热交换器等。

（2）黄铜

黄铜是以锌为主要元素的铜-锌合金。其中不含其他合金元素的黄铜称为

普通黄铜（简单黄铜）；含有其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜（复杂黄

铜）。黄铜的强度硬度比纯铜高，而且耐腐蚀性好，常用于创造船舶零件、管

嘴、轴承等

6

(3)青铜

青铜是以除锌以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含的主

要合金元素的种类可分为：锡青铜、铝青铜、硅青铜、镀青铜。青铜具有比纯

铜黄铜更高的强度和耐磨性，适于作为耐腐蚀的结构材料。

⑷白铜

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白铜是铜-银合金，因颜色近白色而得名。白铜的力学性能很高，且耐腐

蚀性也很好，常用于船舶和电气工业的冷凝管。

（二）铜合金的焊接性

1.热导率高引起的熔化艰难和酬影响区宽度过大问题

由于散热很快，母材难于熔化而且不易与焊转金属很好的熔合，必须采取

预热和加大焊接热源功率等措施。同时，散热快还使热影响区变宽，从而也使

焊接变形更加严重，所以要采取措施（如刚性夹具）减小变形，但要注意防止

因刚性过大而引起的裂纹问题。

2.杂质引起的裂纹问题

铜与不少种杂质或者化合物都会形成低点共晶，如：Cu20+Cu；Cu+Bi；

Cu+Cu2s；Cu+Pb等彳氐熔点物质分布于晶界，造成热脆性甚至引起结晶裂纹。此

外，结晶温度区间大小固然也会影响结晶裂纹倾向，所以必须控制杂质及合金

的含量，或者在焊筵金属中加入脱氧的合金元素如Si、Mn.P等。在焊接工艺

上则尽量减小接头的拘束，或者用预热来减缓冷却速度，降低焊接应力。下表

列出了铜合金的结晶温度区间。

表1铜合金的结晶温度区间

T/℃

结晶温度区

合金成份（质量分数）%固液

间/℃

相线相线

9091

黄铜Cu-53%,Zn-37%13

25

8510

锡青铜Cu-92%,Sn-8%,%180

030

铝青铜Cu-93%,A1-7%10102

7

4042

1010

硅青铜先Si-1%,%30

4070

3.气孔问题

8

铜及铜合金焊接时，形成焊缝气孔的倾向很大，一方面是有不少种因素造

成熔池内气泡，如在固一液态温度下，氢在固态和液态的溶解度差别很大，结晶

时氢逸出形成气泡；熔池中锌、磷等沸点低的元素蒸发也形成气泡；熔池中氢

和co会与Cu20作用形成水蒸气和C02,也形成气泡。此外还有些合金元素如

锌、镉和磷，沸点很低，焊接时可能气化，形成气泡。由于铜和铜合金的热导

率很高，所以形成的气泡往往来不及逸出，如果残留在焊绛中就造成为了气孔。

为了防止铜及铜合金焊缝气孔，必须减少氢氧含量；填充金属中尽量减少

低沸点元素，以免产生气体；预热以延长熔池存在时间，使气泡来得及逸出；

采用含有铝、钛等强脱氧元素的填充材料来减少气体来源，都是有效措施。

4.其他接头性能变化问题

经过焊接热过程焊缝结晶长大，杂质增多，合金元素烧损，蒸发……，铜及

铜合金的接头性能会有较大的变化。

首先是导电性能明显下降，任何杂质或者合金元素进入焊缝都会使导电性

能下降。因此，纯铜焊接时为保证导电性能，必须力图防止杂质进入焊链。其

次，接头的力学性能，主要是因为晶粒粗大和晶界存在杂质使塑形、韧性明显

降低。这要采取使焊缝合金化W变质处理来加以改善。此外,一些铜合金的耐

腐蚀性是依靠锌、镒、银、铝、锡等元素获得的，焊接时这些元素的烧损会使

耐腐蚀性降低，于是必须加强对这些合金元素的保护，或者对焊缝进行合金

化,防止耐腐蚀性降低。

三、铜合金焊接工艺及特点

（一）铜合金的焊接方法

8

可用于铜合金熔焊的工艺方法除了气焊、碳弧焊、焊条电弧焊、氮弧焊和

埋弧焊外，还有等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。固相连接工艺有压焊、钎

焊、扩散焊、磨擦焊、和搅拌磨擦焊。其中熔焊是最为常用的焊接方法，其次

是钎焊。选择焊接方法时必须针对被焊接的材料的成份，物理及力学性能特

点，以及焊接件的结构、尺寸和结构复杂程度，不同条件对对焊接构件的要

求，而且还要结合各种焊接方法工艺特点和现场设备进行综合考虑。

9

(1)焊条电弧焊

焊条电弧焊热量集中温度高的特点，且市售铜合金焊条品种齐全，在铜及

铜合金焊接中已得到广泛的应用。特殊是在青铜和白铜的焊接中，可以焊制性

能满意的接头。焊条电弧焊的缺点是，焊接厚度大于3nlm的焊件时，焊前需作

500T以上的高温预热,这样就降低了焊接的效率,并恶化了劳动条件。

(2)埋弧焊

埋弧焊具有热输出大，电弧热利用率高等优点，厚2001nl一下的铜合金焊前

无需预热，采用无氧焊剂焊接，可以获得质量优异的焊绛。焊接效率比焊条电

弧焊提高数倍，其缺点是只能在平焊位置进行焊接。

(3)铝极短弧焊(TIG焊)

TTG焊的优点是电弧非常稳定，热量集中，焊接区保护效果好，焊缝金属

的纯度高。在铜及铜合金的焊接中，TTG焊是焊接质量最高的焊接工艺方法之

-TTG焊的缺点是焊接电流受到铺极承载能力的限制，通常最大焊接电流不

超过500Ae只合用于焊接中、薄厚度的铜制件。当焊件厚度大于4mm时,焊前

需在200-450℃条件下预热。

(4)等离子弧焊

等离子弧焊属于高能束焊接法，弧柱温度高达30000℃,热量高度集中，

热利用率高。厚度6mm以下铜板对接可不开坡口单面焊，焊前无需预热。接头

的强度可以达到母材的相同水平。

铜及铜合金的等离子弧焊通常采用直流正接，转移型弧，可加强对焊件的

加热，并使电弧稳定。但由于铜及铜合金金属流动性好，表面张力小，且自重

9

大，等离子弧的小孔效应不易稳定，而且容易产生烧穿。因此铜及铜合金不能

采取锁孔型等离子弧焊，只能采用熔透型等离子弧焊工艺方法。

(5)MIG焊

MTG焊具有电弧功率大、熔敷率高、熔深大、焊接速度快等一系列优点，

是合用丁铜及铜合金焊接较理想发一种焊接方法。采用纯氨或者氨/氮混合气体

保护焊接区可以获得与母材等强的焊绛金属。但MIG焊的焊接功率不可能无限

制的加大，厚6mm以上的铜及铜合金焊件仍需预热。目前MIG焊是中、厚铜板

接头焊接应用中最广泛的焊接工艺方法。

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2.电阻焊

(1)电阻点焊和缝焊主要用于厚度小于的板材，而且是电导率和热导率低

的铜合金。对于纯铜或者含铜量很高的铜合金，需要很高的焊接电流，而且非

常容易产生电极粘连和损坏，因此电阻焊非常艰难。

(2)闪光对焊几乎可以焊接所有的铜合金，其焊接过程与钢类似，焊接参

数要求精确控制。

3•雌

选择合适的钎料和钎剂，采用软、硬钎焊都很容易实现铜合金的焊接，而

且对加热方式也没什么要求，如火焰、电阻辐射加热、感应加热、电弧加热都

可以。

4.扩散焊

所有的铜合金都可以采用扩散焊进行连接。铜合金扩散焊接头变形小，性

能优良。最有效的中间层材料是银和银，镇可以与同形成连续固溶体，银在铜

中的溶解度可以达到极，它们与大多数金属都不会生成脆性金属化合物，利用

银和银做中间层几乎可使铜合金与所有金属实现扩散连接。

5.磨擦*翱年磨擦焊

磨擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对磨擦和和塑形流动产

生的热量，使接触面及其近区的金属达到粘塑形状态并会产生适当的塑形变

形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。

搅拌磨擦焊是一种用于低熔点合金板材的新型固态连接技术。它利用一种

特殊的类似探针的搅拌头,将探针插入接合面，进行旋转搅拌磨擦，磨擦热使

探针周围的金属处于热塑性状态，探针前方的塑形金属在搅拌头的驱动下向后

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方流动，在该处塑形融合，从而使焊件在高速加热状态下成为一个整体。目前

搅拌磨擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如铝、铜等合金，可避免熔

焊时产生裂纹、气孔级收缩等缺陷。

（二）焊前准备

1.焊件和焊丝清理

铜合金焊接接头坡口及两侧母材表面以及焊丝表面必须将油脂、水分、氧

化物

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及其他杂杂质清理干净。普通可用汽油、无水乙醇等溶剂擦净，或者将

焊丝、焊件置于质量分数为10舶勺氢氧化钠睡溶液中脱脂，溶液加热温度

为30"40℃,然后用清水洗干净,再用压缩空去吹干。

铜焊丝经上述脱脂清理后,将其置于质量分数为15%的硫酸溶液中浸

蚀2~3min,然后用清水清洗。

密封包装的焊丝，拆包后可直接使用不用做脱脂处理。

2.接头坡口形式

铜合金焊条电弧焊、手工TIG焊、自动MIG焊和埋弧焊坡口形式及尺寸见

表2o

表2

焊接工艺方法

焊条日日弧焊手工1「IG焊自动MIG焊埋弓口焊

角

角

角

钝

钝

钝

钝

坡口形式间间间间角

度

度

度

边

边

边

板板边板板

隙隙隙隙度

厚PC厚P厚P厚P

bb(°)b(°)b(°)

3~4-3~4

0~

<3—

1~

5~6

8~2~33〜460〜

1070

60〜70-8〜1-2〜60~

15801070

12-3~470〜

I1680

:么I5~0〜1~60-

al102370

0〜〜

12~80~121-22〜370~21-1~2480

18908025

11

80〜

90

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(三)焊接材料的选择

1,焊丝

焊接铜合金的焊丝除了满足普通工艺与冶金要求外，主要控制杂质含量和

提高脱氧能力，以避免热裂纹及气孔。我国常用的焊接铜及铜合金的焊丝见表

3.

表3

主要化学成份(质接头抗拉强

牌号名称主要用途

%_____

气焊和CJ301配用、

特殊纯铜焊

USCu>196埋弧焊和HJ431或者

丝,余为Cu

HJ150配用

纯铜气焊及碳弧焊配

HSCu低磷铜焊丝,余为Cu>196

合气剂使用

黄铜的气焊、惰性气

Cu59,Snl

HSCuZn-2锡黄铜焊丝/体保护焊，钎焊铜合

余为Zn

金配合气剂

黄铜气焊、碳弧焊、

Cu58,,,,余为钎焊，白铜、钢、灰

HSCuZn-4铁黄铜焊丝>333

Zn铸铁、镶嵌硬质合金

刀具等配合气剂

非国标牌

铝青铜的TTGXMIG焊

号A17〜9,Mn<2余为/

铝青铜焊丝/或者用于焊条电弧焊

Cu

(SCuAl)的焊芯

非国标牌

号硅青铜及黄铜的

硅青铜焊丝二，余为Cu/

TIG、MIG焊

(SCuSi)

对于黄铜来说，脱氧剂Si可抑制Zn的烧损。此外，在焊丝中加入强脱氧

元素A1,除脱氧外还可以细化焊缝组织，提高接头的塑性和耐腐蚀性。焊缝中

的Fe可以提高焊丝强度和耐磨性，但会降!氐塑性。焊缝含有少量的Ti可以细

化焊链金属组织，提高强度。加入适量的Su元素会增加金属的流动性，改善焊

丝的工艺性能。

2.焊条

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焊条电弧焊焊条分为铜、青铜两类，目前应用较多的青铜焊条。由于黄铜

中的锌容易蒸发，于是极少采用焊条电弧焊，必要时可以采用青铜焊条。常用

铜焊条型号，熔敷金属成份、力学性能及应用范围见表4.

表4

国标型号药皮类型焊绛金属性能主要应用范围

低氢型

ECu纯铜Cu>99o>176N/mm?在大气及海水介质中有良

好的耐腐蚀性，用于焊接

月兑氧或者无氧铜结构件。

ECuSi低氢型硅青铜a>340N/mm：?合用于纯铜、硅青铜及黄

Si〜3,Mn<,6>20%,铜的焊接，以及化工管道

Sn<,Cu余量HV110^130等内衬的堆焊

磷青铜5>274N/nim2合用于焊接纯铜、黄

EcuSnB低氢型Sn〜8,P<,8>20%,铜、磷青铜、船舶推进叶

Cu余量I1V8O"115片

铝青铜8>392N/mm2

h用于铝青铜及其他铜

ECuAl低氢型A「8,Mn<6>15%,

合金、铜合金与钢的焊接

2,HV120160

（四）铜合金的焊接工艺

13

在焊接工程上，各种铜合金最常用的焊接方法有焊条电弧焊、TIG焊、MIG

焊、等离子弧焊、埋弧焊和电阻焊等。铜合金熔厚时，最主要的问题是防止合

金元素的氧化和烧损。确定焊接参数时，应尽量避免熔化金属氧化为基本原

则。从这点出发,对于重要的铜合金焊件，推荐采用TTG场口MTG焊具焊接工

艺要点见表3。

表5铜合金TIG曙口MIG焊焊接工艺要点

铜合金T1G焊M1G焊备注

种类鸨极型填充焊丝保护气焊接电流焊丝型号保护气体

号型号体种类

黄铜EWTH-1RCuZn-BAr+He直沆正接焊前预热

RCuZn-C交流方波

RCuZn-D

锡黄铜EWTH-1RCuZn-AAr+He直流正接ERCuAl-A2Ar+He焊前预热

FCuZn-C交流方波

磷青铜EWTH-2ERCuSn-AAr+lle直流正接ERCuSn-AAr快速焊接

铝青铜EWTH-1ERCuAl-A2Ar+IIe直流正接ERCuAl-AlAr

ERCuAl-A3父流月波ERCuAl-A2

ERCuAl-A2

硅青铜EWTH-1ERCuSi-AAr直流正接ERCuSi-AAr

白铜EWTH-1ERCuNiAr直流正接ERCuNiAr

四、铜合金焊接中易浮