銅與鋼的焊接

馮濤

摘 要：本文通過比較銅和鐵的參數(shù)，簡單介紹了鋼與銅或銅合金的焊接方法、每一種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，以及如何使用。探討了擴(kuò)散焊如何選擇擴(kuò)散中間材料，加入鎳層的目的。

關(guān)鍵詞：熔化焊 固相壓力焊 滲透裂紋 鎢極氬弧焊 金屬埋弧焊 奧氏體不銹鋼 韌窩型

在核電站、航空航天、化工、冶金、機(jī)電等領(lǐng)域中都能見到鋼與銅或銅合金之間形成的復(fù)合焊接接頭。復(fù)合焊接有如下優(yōu)點(diǎn)：一方面鋼與銅或銅合金連接能形成滿足各種特殊需求的金屬結(jié)構(gòu)，特別是既要求具有高強(qiáng)度，又要求具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能的工件；另一方面，在鋼上堆焊銅合金能改善工件表面的性能，如能提高耐磨耐蝕性能、增強(qiáng)潤滑和密封能力等。

由二元相圖可以看出，銅和鐵的原子半徑、晶體類型、晶格常數(shù)、原子外層電子數(shù)等較為接近。二者在液相中能無限固溶；二者在固態(tài)時(shí)，雖只能有限固溶，但并不會形成脆性金屬間化合物，而是形成“x+ε”的雙相組織，其中α相是Cu（<0.3%）在鐵中形成的固溶體，ε相為Fe（<0.2%）在銅中形成的固溶體。這些都是鋼與銅或銅合金焊接的有利因素。但是銅與鐵的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)又存在較大的不同，易在焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致形成焊接裂紋，這對獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭是不利的，使焊接具有較大困難。

一、鋼與銅或銅合金焊接的方法

鋼與銅或銅合金焊接的方法主要有熔化焊和固相壓力焊。當(dāng)用銅焊絲在鋼表面進(jìn)行熔化堆焊時(shí)，由于母材中Fe、Cr、Ni等元素的融入，以及氧與銅的強(qiáng)烈親和作用和多種低溶共晶體的存在，常常使焊縫金屬區(qū)脆化，導(dǎo)致銅未焊透、氣孔、夾雜、裂紋和燒穿等施焊處結(jié)晶組織晶粒粗大。另外，在焊接過程中，液態(tài)銅或銅合金向所接觸的近縫區(qū)鋼表層滲透，即沿微裂紋浸潤深入以及沿晶界擴(kuò)散發(fā)展等形成“滲透裂紋”，是熔化焊接中另一個(gè)會產(chǎn)生的主要問題?！皾B透裂紋”的產(chǎn)生原理是：在應(yīng)力的作用下，液態(tài)銅原子在毛細(xì)管效應(yīng)作用下，滲透到裂紋尖端和沿晶界擴(kuò)散，使得晶界表面能降低。鐵銅的表面能比鐵鐵的界面能低兩倍，使得晶界強(qiáng)度弱化。液態(tài)銅在微裂紋壁上還會產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，從而導(dǎo)致微裂紋進(jìn)行擴(kuò)展。

二、鎢極氬弧焊（TIG）的優(yōu)缺點(diǎn)

用鎢極氬弧焊（TIG）焊接銅與鋼，其優(yōu)點(diǎn)是：

首先，氬氣是惰性氣體，既不與熔池金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不溶于液態(tài)金屬。因此，焊接時(shí)不易產(chǎn)生氣孔，合金元素也不會被燒損。氬氣的密度比空氣大1.25倍，覆蓋在熔池周圍時(shí)會形成堅(jiān)實(shí)的氬氣隔離層，從而能獲得優(yōu)良的焊縫。

其次，氬氣在電離時(shí)產(chǎn)生的正離子，其質(zhì)量和動(dòng)能較大，在電磁力的作用下，會向陰極高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)工件為負(fù)極時(shí)會受到氬氣正離子的撞擊，破壞工件表面的氧化膜，產(chǎn)生一定的清理作用。

再次，施焊部分可見度好，適合各種位置焊接，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

最后，熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性好，對母材的潤濕性高，焊接工藝性好，焊縫的強(qiáng)度高，氣密性好。

但是，氬弧焊時(shí)不易控制分配施加給兩種金屬的電弧熱量，銅在用氬弧焊焊接時(shí)有熱裂傾向。

三、硬釬焊和釬焊的優(yōu)缺點(diǎn)

采用硬釬焊（銅-磷-錫焊膏）和釬焊（氧-乙炔）時(shí)，其特點(diǎn)是無鎘、無銀。然而采用釬焊時(shí)焊接接頭常會出現(xiàn)氣孔、夾渣、未焊透等焊接缺陷，使得接頭的性能嚴(yán)重下降。焊接結(jié)束后對釬劑要進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，否則制品容易腐蝕。也有采用異種金屬埋弧焊，但是這種焊接方法易出現(xiàn)咬邊和熔合不良等問題，特別是當(dāng)焊接電流過大時(shí)，導(dǎo)致不銹鋼稀釋率偏大，從而出現(xiàn)宏觀片析，導(dǎo)致焊接裂紋。

四、固相壓力焊的優(yōu)缺點(diǎn)

采用固相壓力焊，如擴(kuò)散焊、摩擦焊和爆炸焊等，能夠獲得優(yōu)質(zhì)的鋼與銅或銅合金焊接接頭。但是受焊接條件的限制，這些方法只能應(yīng)用于一些特殊的構(gòu)件和零件。在銅與港擴(kuò)散焊時(shí)通常加一個(gè)中間擴(kuò)散層，其材料可以有鈦、鎳、銀、含鈹合金等。正確選擇擴(kuò)散中間材料是比較重要的，因?yàn)檫x擇不當(dāng)會造成：降低接頭的耐溫能力、導(dǎo)致顯微組織破壞；降低接頭的強(qiáng)度、導(dǎo)致熱力學(xué)的不相容性。

加中間擴(kuò)散層材料的目的是填充間隙及隨后與基體金屬進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，形成基體金屬和中間材料間的較大硬度差。

選擇擴(kuò)散中間材料的原則是待焊基體金屬低合金化的改型材料。如非合金化的鈦或鈦合金的中間擴(kuò)散層等，鎳用于含鎳基高溫合金的擴(kuò)散焊等。

在銅-不銹鋼接頭中加入鎳層的主要目的是降低擴(kuò)散焊溫度、降低擴(kuò)散焊壓力、縮短擴(kuò)散焊的保持時(shí)間、提高擴(kuò)散系數(shù)、除去不需要的元素、防止金屬間化合物、在不銹鋼中提高其抗SCC的能力等。

中間材料的使用方式有：電鍍、蒸氣層積、噴濺、薄墊或粉末等。擴(kuò)散中間層的允許厚度<0.25mm，一般為0.01～0.02mm。

（作者單位：山東省鄒城市技工學(xué)校）endprint