申报焊工高级技师论文
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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
201*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/（mk）(20-100)/100000020℃100℃摄氏度分之一Cu393.6326.616.44.7Fe54.829.314.22.0
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600700℃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/mmI/Au/vQ/L/mind/mm58直流反接22028028--3015--181.2910直流反接260---32028--3015--181.61020直流反接300---36028--3015--181.6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
GB26489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=196235.2MPa）。
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
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紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊
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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CuFe导热系数线胀系数W/(mk)（20-100）/100000020℃100℃摄氏度百分之一393.6326.654.829.316.414.2收缩率%4.72.0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600700℃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s/mm5--89--1010--20电源极性直流反接直流反接直流反接电流I/A220-280260-320300-360电流U/V28-3028-3028-30氩气流量Q/L/min15-1815-1815-18焊丝d/mm1.21.61.6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GB26489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=196235.2MPa）。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
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