水冷銅坩堝中紫銅與不銹鋼焊接工藝研究

蔡鵬 楊乾剛

摘 要

本文對(duì)紫銅與不銹鋼的焊接工藝進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)銅鋼焊接過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題分析，設(shè)計(jì)了單一因素對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)研究確定了紫銅、不銹鋼焊接的基本工藝參數(shù)范圍。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)不同焊接速度、送絲速度、焊槍角度下，各組織的宏觀形貌照片進(jìn)行分析研究，最終獲得了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為焊接電流170A，焊接電壓15.8V，送絲速度7.3m/min，焊接速度35cm/min，焊槍角度90°左右。

關(guān)鍵詞

紫銅;不銹鋼;焊接

中圖分類(lèi)號(hào)： TG444.74? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.030

0 前言

銅的物理特性如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線(xiàn)膨脹系數(shù)及力學(xué)性能與鋼的相關(guān)特性有較大差異，此種性質(zhì)對(duì)銅和鋼的焊接增加了一定的難度，導(dǎo)致了銅和鋼在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)不同形態(tài)的裂紋和變形。對(duì)高溫狀態(tài)下銅和鐵的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在高溫狀態(tài)下，它們的原子半徑、晶格類(lèi)型和常數(shù)及外層電子數(shù)都較為接近，這種特性表明了銅和鋼在一定高溫下是可以焊接的，因?yàn)橄嗨频奈⒂^結(jié)構(gòu)有利于原子間的擴(kuò)散[1]。對(duì)銅和鐵的相圖進(jìn)行分析，在液態(tài)時(shí)，Cu與Fe是無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)為有限互溶，且不形成脆性的金屬間化合物，以雙相組織存在[2]，此種性質(zhì)進(jìn)一步表明銅和鋼焊接是可行的，可以形成性能優(yōu)異的銅鋼復(fù)合部件。

在銅鐵焊接過(guò)程中，常見(jiàn)的問(wèn)題有焊縫的熱裂傾向、近縫區(qū)的滲透裂紋、熔合區(qū)變形、氣孔傾向、接頭性能下降傾向，以上各種問(wèn)題，如果過(guò)度發(fā)展，都會(huì)導(dǎo)致銅鐵焊接質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)在焊接位置存在空洞的現(xiàn)象，為解決以上問(wèn)題，開(kāi)展了紫銅和不銹鋼焊接工藝的研究。

本文針對(duì)銅鋼焊接過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，開(kāi)展了單因素焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊縫成型效果影響較大的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)多搭接接頭焊接后的組織和性能分析，優(yōu)選出了銅鋼焊接的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

1 銅鐵焊接常見(jiàn)問(wèn)題原因分析

銅鐵焊接過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題在前言部分做了說(shuō)明，針對(duì)不同問(wèn)題做相應(yīng)的原因分析。

對(duì)于焊縫的熱裂傾向，主要是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的，原料或焊料中的有害雜質(zhì)元素與銅或鐵結(jié)合形成了低熔點(diǎn)共晶體或脆性化合物，此種組織狀態(tài)易對(duì)銅鐵形成的固溶體造成破壞，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致焊接過(guò)程中產(chǎn)生熱裂紋。為此，在焊接過(guò)程中，對(duì)原材料的成分進(jìn)行嚴(yán)格控制，并在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，減少焊接應(yīng)力的存在。

對(duì)于在焊縫附近產(chǎn)生的滲透裂紋，分析原因?yàn)樵诤附拥倪^(guò)程中，焊接電流不合適或者是焊接結(jié)束后，冷卻方式不合適，這就容易使得在結(jié)晶的過(guò)程中，在金屬組織上產(chǎn)生缺陷，這種缺陷主要表現(xiàn)為在鐵的結(jié)晶表面出現(xiàn)微小的裂口，在焊接時(shí)，熔化的銅液滲入微小的裂口，深入裂口的銅液會(huì)沿著晶界繼續(xù)前進(jìn)，導(dǎo)致鐵結(jié)晶表面的晶界能下降，再由于焊接拉應(yīng)力的作用，在焊接接口附近產(chǎn)生滲透裂紋[4]。

對(duì)于熔合區(qū)出現(xiàn)形變的問(wèn)題，分析原因主要是由于銅金屬與鐵金屬的導(dǎo)熱率和收縮率存在較大的差異。鋼材的導(dǎo)熱率比銅的導(dǎo)熱率要小得多，約為銅的十分之一作用，在進(jìn)行銅鐵焊接的過(guò)程中，大量的熱量會(huì)從母材散失，使得焊接溫度不能達(dá)到焊接所需要的熔化溫度，導(dǎo)致焊材之間熔合困難。同時(shí)由于銅金屬的線(xiàn)膨脹系數(shù)和收縮率一般要比鐵大，約為一倍，若在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，銅鐵的接頭處及周邊未進(jìn)行約束，在焊接時(shí)將容易造成熔合區(qū)變形[4]。針對(duì)以上問(wèn)題，在焊接時(shí)，對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱處理，并設(shè)計(jì)工裝，約束焊接接頭，防止變形。

2 試驗(yàn)材料及其預(yù)處理

試驗(yàn)材料使用了T2紫銅和304不銹鋼，將不銹鋼和紫銅如下圖所示搭接，進(jìn)行焊接，紫銅試驗(yàn)板規(guī)格為50mm×30mm×3mm，不銹鋼試驗(yàn)板規(guī)格為50mm×30mm×3mm。

填充材料選用純銅焊絲，直徑為1.2mm，其成分如表1所示。

在焊接前，需要對(duì)試驗(yàn)用金屬板進(jìn)行表面清理，通過(guò)打磨機(jī)對(duì)銅板和鋼板的待焊接區(qū)域進(jìn)行打磨清理，去除其表面的氧化膜與吸附層，打磨后再用丙酮擦拭，做進(jìn)一步的清理后開(kāi)始焊接作業(yè)，以此保證焊縫質(zhì)量。

3 焊接工藝研究

在利用焊機(jī)進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，關(guān)鍵工藝參數(shù)有焊接電流、焊接電壓、焊接速度送絲速度、和焊槍的角度，不同工藝參數(shù)對(duì)最終的焊縫質(zhì)量均存在影響，主要影響為焊接成形，焊接組織及接頭強(qiáng)度等方面。通過(guò)對(duì)焊縫成形的影響研究，確定出可以形成良好成形效果的工藝參數(shù)。下表為初步選擇的焊接工藝參數(shù)，用以進(jìn)行銅鐵焊接試驗(yàn)。

表2中的6組參數(shù)進(jìn)行銅鐵焊接，得到成形情況如下的6條焊縫。

1#、2#樣品的焊接速度不同，其他參數(shù)相同，3#樣品的焊接參數(shù)中電壓較高，電流較小，4#樣品的焊接參數(shù)中電壓較低，電流較大，5#、6#樣品除焊槍角度不同外，其他參數(shù)相同。從以上不同參數(shù)的焊接成形外觀來(lái)看，當(dāng)焊接的送絲速度保持7.5m/min，焊槍角度保持90°時(shí)，焊接速度越大，焊縫余高隆起越低，焊縫的寬度越窄，但整體成形效果尚可。保持焊接參數(shù)中的焊接速度為30cm/min，焊槍角度為90°，同時(shí)改變送絲速度，隨著送絲速度的變化，余高也發(fā)生了變化，隨送絲速度的變快，余高也變得飽滿(mǎn)，當(dāng)送絲速度達(dá)到一定值后，余高出現(xiàn)過(guò)高顯現(xiàn)，焊縫填充量出現(xiàn)過(guò)多現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致焊縫寬度不均勻，因此在焊接過(guò)程中，要保持送絲速度合適，這樣才能保證余高隆起美觀，焊縫寬度均勻，通過(guò)對(duì)樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)送絲速度在7.3～7.5m/min較為合適。對(duì)焊槍角度不同的樣品進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)焊槍角度不合適容易導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊縫寬窄不均勻，若焊槍角度過(guò)大或者過(guò)小，在焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)保護(hù)效果不佳，導(dǎo)致焊接出現(xiàn)咬邊、熔合不充分或者氣孔等缺陷，通過(guò)對(duì)比確定焊槍角度在90°～105°較為合適。

通過(guò)對(duì)以上結(jié)果分析，初步確定銅鐵焊接的主要工藝參數(shù)，即焊接速度30～35cm/min，送絲速度7.3～7.5m/min，焊槍角度90°～105°。

4 焊接接頭組織結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步分析焊縫的焊接質(zhì)量，對(duì)采用以上參數(shù)獲得的樣品開(kāi)展宏觀形貌分析，圖3中圖片為焊接速度不同，送絲速度和焊槍角度保持不變的焊接樣品接頭宏觀形貌。

對(duì)在不同焊接速度下樣品的鋪展效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)焊接速度在35cm/min時(shí)，鋪展寬度較焊接速度30cm/min為增大趨勢(shì)。在送絲速度維持不變的情況下，，余高的尺寸將會(huì)出現(xiàn)隨焊接速度減小增大的趨勢(shì)，余高尺寸過(guò)大在一定程度上影響了焊縫的美觀，更使得在焊縫中產(chǎn)生缺陷的可能性增加，從而進(jìn)一步導(dǎo)致接頭的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)隨著焊接速度的減小，焊接過(guò)程中的熱輸入將更多，熱輸入的增加對(duì)銅一側(cè)熱影響區(qū)的性能會(huì)造成不好的影響，使得銅側(cè)的更加薄弱。同時(shí)在焊接速度為35cm/min時(shí)，接頭上接觸角的度數(shù)為銳角，這有利于減小接觸處的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此優(yōu)選焊接速度為35cm/min。

為進(jìn)一步研究不同送絲速度對(duì)焊接的影響，保持焊接速度為35cm/min，焊槍角度為90°，觀察接頭的宏觀形貌，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)不同送絲速度下接頭處的鋪展效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著送絲速度的增大，鋪展寬度幾乎維持不變，余高尺寸由于進(jìn)料變多，出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，余高增大對(duì)在接頭處產(chǎn)生缺陷的可能性增大，并容易造成接頭處的應(yīng)力集中。同時(shí)送絲速度增大，焊接所需要的電流也要相應(yīng)的增大，從而提高了焊接過(guò)程中的熱輸入，熱輸入對(duì)銅側(cè)的熱影響區(qū)的性能會(huì)造成一定的不良效果，因此在送絲速度滿(mǎn)足進(jìn)料要求的情況下，選擇較小的送絲速度，即7.3m / min。

為研究不同焊槍角度下焊接效果，保持焊接速度和送絲速度一致，對(duì)焊槍角度從75°～105°的焊接接頭宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖5所示。

對(duì)在不同焊槍角度下的焊縫鋪展寬度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焊槍角度改變對(duì)鋪展寬度的影響不大，在為鈍角時(shí)鋪展寬度較小，這導(dǎo)致了焊絲熔化后越堆越高，使得余高變大。對(duì)不同焊槍角度下焊接接頭的宏觀形貌圖片進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在焊槍角度為90°時(shí)，焊接接頭之間的接觸角較75°和105°都較大，而接觸角越大相對(duì)來(lái)講焊接質(zhì)量越好，所以焊槍角度選擇接觸角最大的90°左右。

通過(guò)宏觀形貌的對(duì)比分析，最終確定焊接工藝參數(shù)為焊接電流取170A，焊接電壓取15.8V，送絲速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊槍角度保持在90°左右。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度和焊槍的角度進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定了紫銅與不銹鋼搭接的基本工藝參數(shù)范圍。

（2）通過(guò)研究不同焊接速度、送絲速度、焊槍角度下，各組織的宏觀形貌照片，獲得了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為焊接電流取170A，焊接電壓取15.8V，送絲速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊槍角度保持在90°左右。

參考文獻(xiàn)

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