申报焊工高级技师论文

申报焊工高级技师论文

紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊

刘福

北京化工机械有限公司

2011年2月1日

目录

一 前言

二 紫铜与低碳钢的焊接分析

1 难溶合及易变形 2易产生裂纹 3气孔

三 紫铜与低碳钢的焊接工艺要点

1 焊接材料的选择 2坡口形式的选择 3坡口清理 4工件预热 5焊接 6焊后保温

四 焊接检验

1拉伸试验 2金相检验

五 结论

紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊

摘要：通过紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊的生产实践，对铜钢焊接易产生裂纹，未溶合和气孔等缺陷进行了试验分析，并采用了合理的焊接工艺，提高了焊接接头的力学性能，保证了工件质量。

一 前言

紫铜具有优良的到点和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件的关键部位采用紫铜，而其他部位则采用成本低廉的低碳钢材料。这种结构多数采用焊接方式，紫铜与低碳钢的焊接质量相对整体结构来说也变得尤为重要。

在众多焊接方式中，熔化极氩弧焊以其电弧热量集中，高效，焊接质量好等优点，而被广泛采用。

二 紫铜与低碳钢的焊接性分析

1 难熔合及易变形

由表1看出，铜与钢的导热系数，线胀系数和收缩率差异较大，这对保

证铜与钢的焊接质量非常不利。

表1 铜与铁的物理性能的比较 金属 导热系数 线胀系数 收缩率 W/（m·k） (20-100)/1000000 ﹪ 20℃ 100℃ 摄氏度分之一 Cu 393.6 326.6 16.4 4.7 Fe 54.8 29.3 14.2 2.0

铜的导热系数大，20℃时铜的导热系数比铁大七倍多，100℃大十一倍多。

焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。铁与铜在液态下完全不互溶，只能呈机械混合状态，这是焊接时的最大难点，只有机械式互相结合，而无冶金结合。

铜的线胀系数和收缩率也比较大。铜的线胀系数比铁大15﹪，而收缩率比铁大一倍以上。焊接时，如工件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻会产生很大的焊接应力。

2 易产生裂纹

在铜与钢的焊接时，在焊缝金属晶粒间存在低熔点共晶，如（Cu+Cu20）

共晶体（共晶温度为1065℃，低于铜的熔点）等。在结晶后期，这些共晶体以液态形式分布在固态α铜的晶粒边界，割断了固体晶粒的联系，使晶粒间的结合

力受到削弱，使焊缝金属的塑性显著下降，再加上铜与钢的线胀系数和收缩率差异较大，在焊缝冷却过程中将产生较大的焊接应力。因此，当铜钢焊缝强度，塑性显著下降，并且焊件中存在内应力时，就在接头的脆弱部位形成热裂纹。

3 气孔

铜与钢焊接时，焊缝中常会出现气孔。

基于对铜钢焊接性的分析，制定合理的焊接工艺是保证铜钢焊接质量的前提，遵守操作规程才能使铜钢焊接接头质量得以保证。

三 紫铜与低碳钢的焊接工艺要点（以环缝焊接为例）

1 焊接材料的选择

铜钢熔化极氩弧焊常用焊丝牌号为HS201，焊接接头可获得满意的力学性能。 2 坡口形式的选择

总结多年生产经验，铜钢焊接坡口形式有以下5种可供选择。

图1 铜钢焊接的坡口形式

曾对以上5种坡口形式进行对比试验，图1d应是首选的坡口形式。 3 坡口清理

用机械法或者化学法去除坡口表面及两侧（约30mm以内）的油污，

水分，氧化物及其他夹杂物，使其露出金属光泽。尤其是钢侧锈蚀必须清理干净，以杜绝由于锈蚀造成的未溶合缺陷的产生。

4 工件预热

铜钢焊接前必须对紫铜件进行预热。由于紫铜工件越大，散热越快。因

此，预热温度应遵循随工件越大，预热温度越高的原则，一般的预热温度以从600——700℃为宜。

5 焊接

由于铜导热性好，为防止焊缝出现缺陷，应采用大热量输入焊接。紫铜

与低碳钢的熔化极氩弧焊的焊接参数见表2

表2 紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊焊接工艺参数 母材壁厚 电源极性 电流 电压 氩气流量 焊丝直径 S/mm I/A u/v Q/L/min d/mm 5——8 直流反接 220—280 28--30 15--18 1.2 9——10 直流反接 260---320 28--30 15--18 1.6 10——20 直流反接 300---360 28--30 15--18 1.6 紫铜与低碳钢的MIC焊接的电流与母材壁厚、工件大小、预热温度有关。

传统的铜钢焊接工艺要求焊丝必须偏向铜的一侧，以保证铜母材有足够

的热量输入，使之熔化。这种操作技术很难掌握，焊丝偏离焊缝中心线距离过大，不能保证钢母材金属充分熔化，极易产生未溶合缺陷，合适的距离与紫铜工件的大小和壁厚有关，不是固定的数值。根据多年的生产经验和熔化极氩弧焊热量集中的特点，在足够的预热温度下，焊丝对准坡口中心，既可保证铜侧和钢侧母材充分熔化，从而减少钢侧未熔合缺陷的产生，也有利于焊缝的成形。

另外，施焊位置也至关重要。一般打底焊施焊位置以时钟12点至12

点30分外为宜。

施焊位置靠前，熔池金属易流淌，且不利于焊缝成形，也不利于下层焊

缝的施焊，施焊位置靠右，熔化的填充金属流淌到未熔化的根部坡口上，电弧始终吹在熔化的填充金属上，在电弧温度不足以使根部母材熔化时，既形成根部未焊透及根部未熔合。

盖面焊时，根据工件的回转半径，施焊位置可适当后移。再者，适当的

焊接速度对保证铜钢焊缝质量也是至关重要的。过快，过慢均易产生未熔合缺陷，合适的焊接速度要根据送丝速度和工件预热温度来确定。

6 焊后保温

工件焊后，应保温缓冷。这样，可扩大焊接区温度场，减弱焊接应力，

防止裂纹产生。

四 焊接检验

1 拉伸试验

严格执行上述工艺，既可得到满意的紫铜和碳钢焊接接头。按国家标准

GB264—89截取试块制成力学性能试件，并进行拉伸试验，结果，每个试件的ab均大于230MPa。可见，铜钢焊接接头抗拉强度高于紫铜（ab=196—235.2MPa）。

2 金相检验

经金相检验，焊缝内部组织均匀，紫铜和紫铜熔合区过度均匀，结合良

好，紫铜与低碳熔合线平直，无孔洞，且Cu和Fe相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。

五 结论

1 通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能，证明焊接工艺和参数是合理的； 2

紫铜与低碳钢的物理性能和化学成分差异较大，铜钢焊缝易产生很多缺

陷，如裂纹、未熔合、气孔等，但只要执行合理的焊接工艺，熟练掌握焊接操作技术，仍能获得满意的铜钢焊接接头。

刘福