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铜与钢的焊接
在核电站、航空航天、化工、冶金、机电等领域中都能见到
钢与铜或铜合金之间形成的复合焊接接头。复合焊接有如下优点:
一方面钢与铜或铜合金连接能形成满足各种特殊需求的金属结
构,特别是既要求具有高强度,又要求具有高导电性和导热性能
的工件;另一方面,在钢上堆焊铜合金能改善工件表面的性能,
如能提高耐磨耐蚀性能、增强润滑和密封能力等。
由二元相图可以看出,铜和铁的原子半径、晶体类型、晶格
常数、原子外层电子数等较为接近。二者在液相中能无限固溶;
二者在固态时,虽只能有限固溶,但并不会形成脆性金属间化合
物,而是形成“x+ε”的双相,其中α相是Cu(0.3%)在铁中形成
的固溶体,ε相为Fe(0.2%)在铜中形成的固溶体。这些都是钢
与铜或铜合金焊接的有利因素。但是铜与铁的熔点、导热系数、
热膨胀系数等参数又存在较大的不同,易在焊接接头产生应力集
中,导致形成焊接裂纹,这对获得优质焊接接头是不利的,使焊
接具有较大困难。
一、钢与铜或铜合金焊接的方法
钢与铜或铜合金焊接的方法主要有熔化焊和固相压力焊。当
用铜焊丝在钢表面进行熔化堆焊时,由于母材中Fe、Cr、Ni等
元素的融入,以及氧与铜的强烈亲和作用和多种低溶共晶体的存
在,常常使焊缝金属区脆化,导致铜未焊透、气孔、夹杂、裂纹
和烧穿等施焊处结晶晶粒粗大。另外,在焊接过程中,液态铜或
铜合金向所接触的近缝区钢表层渗透,即沿微裂纹浸润深入以及
沿晶界扩散发展等形成渗透裂纹“”,是熔化焊接中另一个会产生
的主要问题。渗透裂纹“”的产生原理是:在应力的作用下,液态
铜原子在毛细管效应作用下,渗透到裂纹尖端和沿晶界扩散,使
得晶界表面能降低。铁铜的表面能比铁铁的界面能低两倍,使得
晶界强度弱化。液态铜在微裂纹壁上还会产生一个附加压力,从
而导致微裂纹进行扩展。
二、钨极氩弧焊(TIG)的优缺点
用钨极氩弧焊(TIG)焊接铜与钢,其优点是:
首先,氩气是惰性气体,既不与熔池金属发生化学反应,也
不溶于液态金属。因此,焊接时不易产生气孔,合金元素也不会
被烧损。氩气的密度比空气大1.25倍,覆盖在熔池周围时会形
成坚实的氩气隔离层,从而能获得优良的焊缝。
其次,氩气在电离时产生的正离子,其质量和动能较大,在
电磁力的作用下,会向阴极高速运动,当工件为负极时会受到氩
气正离子的撞击,破坏工件表面的氧化膜,产生一定的清理作用。
再次,施焊部分可见度好,适合各种位置焊接,容易实现机
械化和自动化。
最后,熔池液态金属流动性好,对母材的润湿性高,焊接工
艺性好,焊缝的强度高,气密性好。
但是,氩弧焊时不易控制分配施加给两种金属的电弧热量,
铜在用氩弧焊焊接时有热裂倾向。
三、硬钎焊和钎焊的优缺点
采用硬钎焊(铜-磷-锡焊膏)和钎焊(氧-乙炔)时,其特点
是无镉、无银。然而采用钎焊时焊接接头常会出现气孔、夹渣、
未焊透等焊接缺陷,使得接头的性能严重下降。焊接结束后对钎
剂要进行严格的清洗,否则制品容易腐蚀。也有采用异种金属埋
弧焊,但是这种焊接方法易出现咬边和熔合不良等问题,特别是
当焊接电流过大时,导致不锈钢稀释率偏大,从而出现宏观片析,
导致焊接裂纹。
四、固相压力焊的优缺点
采用固相压力焊,如扩散焊、摩擦焊和爆炸焊等,能够获得
优质的钢与铜或铜合金焊接接头。但是受焊接条件的限制,这些
方法只能应用于一些特殊的构件和零件。在铜与港扩散焊时通常
加一个中间扩散层,其材料可以有钛、镍、银、含铍合金等。正
确选择扩散中间材料是比较重要的,因为选择不当会造成:降低
接头的耐温能力、导致显微组织破坏;降低接头的强度、导致热
力学的不相容性。
加中间扩散层材料的目的是填充间隙及随后与基体金属进
行扩散反应,形成基体金属和中间材料间的较大硬度差。
选择扩散中间材料的原则是待焊基体金属低合金化的改型
材料。如非合金化的钛或钛合金的中间扩散层等,镍用于含镍基
高温合金的扩散焊等。
在铜-不锈钢接头中加入镍层的主要目的是降低扩散焊温度、
降低扩散焊压力、缩短扩散焊的保持时间、提高扩散系数、除去
不需要的元素、防止金属间化合物、
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