铜合金的焊接工艺及其影响因素？

铜合金因其优异的导电性、导热性、抗腐蚀性和加工性能而被广泛应用，但其焊接性相对较差，需要特定的工艺和严格的控制。

下面我将详细阐述铜合金的焊接工艺及其主要影响因素。

一、铜合金焊接的主要难点

在讨论具体工艺前，须理解其焊接困难的根本：

高导热性：铜的导热系数约为钢的7倍。焊接时热量迅速散失，导致母材难以熔化，需要输入非常高的热功率，容易造成烧穿和变形。

高热膨胀系数：铜的热膨胀系数比钢大50%左右，焊接过程中会产生较大的焊接应力和变形，易导致裂纹。

易氧化性：高温下铜非常易与氧反应生成Cu₂O，并与铜形成低熔点共晶（如Cu + Cu₂O，熔点1065℃），分布在晶界处，是产生热裂纹（结晶裂纹）的主要原因。

气孔敏感性高：氢在液态铜中的溶解度远高于固态铜。焊接熔池凝固时，氢来不及逸出而形成氢气孔。此外，氧与氢结合生成水蒸气也会导致气孔。

某些合金元素的偏析：如锡青铜中的锡、铝青铜中的铝等，在凝固过程中容易偏析，增加热裂纹倾向。

二、主要焊接工艺

针对以上难点，发展出了多种焊接方法，需根据合金类型、工件厚度、结构要求和经济性来选择。

1. 钨极氩弧焊

这是焊接铜及铜合金非常常用、非常有效的方法之一，尤其适用于薄板和中厚板的打底焊。

特点：

保护效果好：氩气能有效隔绝空气，避免氧化。

电弧稳定：热量集中，可准确控制热输入。

无飞溅，焊缝成形美观。

关键工艺：

预热：对于厚度 > 3mm 的紫铜或黄铜，须进行预热（200-500℃），以减少焊接区的温度梯度，避免裂纹。

填充材料：通常选用与母材成分相近或含脱氧元素（如Si、Mn、Ti）的焊丝，如HS201（特制紫铜焊丝）、HS211（硅青铜焊丝）。

电源极性：一般采用直流正接（工件接正极），以增加熔深。但对于铝青铜，有时采用交流电源以利用阴极破碎作用去掉氧化铝膜。

2. 熔化极氩弧焊

适用于中厚板和厚板的焊接，效率高于TIG焊。

特点：使用焊丝作为电极和填充金属，电流密度大，熔敷速度快。

关键工艺：

同样需要预热。

保护气体：纯氩气或氩气与氦气的混合气（加入氦气可提高热输入，适用于厚板）。

焊丝选择：同TIG焊，需含脱氧剂。

需严格控制热输入，避免过热和变形。

3. 气焊

一种传统的焊接方法，目前应用较少，主要用于维修和小批量薄板焊接。

特点：设备简单，操作灵活，但热量分散，效率低，变形大，接头质量较差。

关键工艺：

须使用焊剂：如硼砂基焊剂，以溶解并去掉氧化物。

火焰调整：采用中性焰或轻微碳化焰，避免氧化焰。

4. 焊条电弧焊

主要用于现场维修和某些特殊场合，对焊工技能要求较高。

特点：设备简单，但熔深浅，焊接速度慢，易产生缺陷。

关键工艺：

预热非常重要（300-600℃）。

焊条选择：需选用专门铜合金焊条，如T107（纯铜焊条）、T227（磷青铜焊条）。这些焊条药皮含有强脱氧剂（如磷、锰）。

短弧操作，直线运条，快速焊接，以减小热影响区。

5. 其他工艺

电子束焊和激光焊：能量密度非常高，热输入小，焊接速度快，变形非常小，特别适合复杂形状和高精度要求的铜合金焊接。但对装配精度要求非常高。

电阻焊：点焊、缝焊等可用于铜合金薄板的连接，效率高，但设备投资大。

三、影响铜合金焊接性的主要因素

焊接性是指材料在一定焊接工艺条件下获得质优接头的难易程度。对于铜合金，主要受以下因素影响：

1. 化学成分

杂质含量：硫、铅、铋等低熔点杂质会严重增加热裂纹倾向。氧含量过高会形成Cu₂O，加剧裂纹。因此，用于焊接的母材和填充材料须是无氧铜或脱氧铜。

合金元素：

锌：黄铜中含锌量增加会降低塑性，提高裂纹敏感性。

锡、硅、镍、铝：适量添加可以改善焊接性。例如，硅能脱氧并形成高熔点硅酸盐进入熔渣；镍能提高强度和耐蚀性，改善抗裂性。

磷：在青铜中，磷能脱氧，但过量会形成低熔点磷化物，反而引起裂纹。

2. 焊接参数

预热温度和层间温度：这是控制冷却速度、避免冷裂纹和热裂纹的关键。温度过高会导致晶粒粗大，性能下降；温度不足则应力过大，易裂。

焊接电流/电压/速度：决定了热输入的大小。需要足够的热量使母材熔化，但又不能过量导致烧穿、过热和变形。

保护气体的种类和流量：直接影响保护效果，避免氧化和氮化。

3. 坡口设计与装配

合理的坡口角度和钝边能确保根部焊透，减少未熔合、未焊透等缺陷。装配间隙要适当，过大易烧穿，过小易夹渣。

4. 焊前准备与焊后处理

清洁度：焊接区域及两侧20-30mm范围内须清理油污、水分、氧化皮和油漆，这些是氢气孔的主要来源。

焊后热处理：对于某些重要结构或易产生应力腐蚀的场合，可进行去应力退火（如400-650℃保温后缓冷），以去掉焊接残余应力。