銅及其與異種材料的焊接

銅具有優良的導電性、導熱性、耐腐蝕性、延展性及一定的強度等特性。在純銅（紫銅）中添加10余種合金元素，形成固溶體的各類銅合金，如加鋅為黃銅；加鎳為白銅；加硅為硅青銅；加鋁為鋁青銅等。

銅及銅合金可用釬焊、電阻焊等工藝方法實現連接，在工業發達的今天、熔焊已占據主導地位。用焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊等工藝方法容易實現銅及銅合金的焊接。影響銅及銅合金焊接性的工藝難點主要有四項元素：一是高導熱率的影響。銅的熱導熱率比碳鋼大7-11倍，當采用的工藝參數與焊接同厚度碳鋼差不多時，則銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合。二是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時，熔池內銅與其中的雜質形成低熔點共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產生熱裂紋。三是產生氣孔的缺陷比碳鋼嚴重得多，主要是氫氣孔。四是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等。

1、紫銅的焊接

焊接紫銅的方法有氣焊、手工碳弧焊、焊條電弧焊和手工氬弧焊等方法，大型結構也可采用自動焊。

（1） 紫銅的氣焊焊接最常用的是對接接頭，搭接接頭和丁字接頭盡量少采用。氣焊可采用兩種焊絲，一種是含有脫氧元素的焊絲，如絲201、202；另一種是一 般的紫銅絲和母材的切條，采用氣劑301作助熔劑。氣焊紫銅時應采用中性焰。

（2）紫銅的焊條電弧焊接。焊件厚度大于4毫米時，焊前必須預熱，預熱溫度一般在400~500℃。用銅107焊條焊接，電源應采用直流反接。焊接時應當用短弧，焊條不宜作橫向擺動。焊條作往復的直線運動，可以改善焊縫的成形。長焊縫應采用逐步退焊法。焊接速度應盡量快些。多層焊時，必須徹底清除層間 的熔渣。焊接應在通風良好的場所進行，以防止銅中毒現象。焊后應用平頭錘敲擊焊縫，消除應力和改善焊縫質量。

（3）紫銅的手工氬弧焊。在紫銅手工氬弧焊時，采用的焊絲有絲201(特制紫銅焊絲)和絲202，也采用紫銅絲，如T2。焊前應對工件焊接邊緣和焊絲表面的氧化膜、油等臟物都必須清理干凈，避免產生氣孔、夾渣等缺陷。清理的方法有機械清理法和化學清理法。

對接接頭板厚小于3毫米時，不開坡口；板厚為3～10毫米時， 開V形坡口，坡口角度為60o~70o；板厚大于10毫米時，開X形坡口，坡口角度為60o~70o；為避免未焊透，一般不留鈍邊。根據板厚和坡口尺寸，對接接頭的裝配間隙在0.5～1.5毫米范圍內選取。

紫銅手工氬弧焊，通常是采用直流正接，即鎢極接負極。為了消除氣孔，保證焊縫根部可靠的熔合和焊透，必須提高焊接速度，減少氬氣消耗量，并預熱焊件。板厚小于3毫米時，預熱溫度為150~300℃；板厚大于3毫米時，預熱溫度為350~500℃。預熱溫度不宜過高，否則使焊接接頭的力學性能降低。

還有紫銅的碳弧焊，碳弧焊使用的電極有碳精電極和石墨電極。紫銅碳弧焊所用的焊絲和氣焊時一樣，也可用母材剪條，可用氣焊紫銅的助熔劑，如氣劑301等。

2、黃銅的焊接

黃銅焊接的方法有：氣焊、碳弧焊、焊條電弧焊和氬弧焊。

（1）黃銅的氣焊。由于氣焊火焰的溫度低，焊接時黃銅中鋅的蒸發比采用電焊時少，所以在黃銅焊接中，氣焊是最常用的方法。

黃銅氣焊采用的焊絲有：絲221、絲222和絲224等，這些焊絲中含有硅、錫、鐵等元素，能夠防止和減少熔池中鋅的蒸發和燒損，有利于保證焊縫的性能和防止氣孔產生。氣焊黃銅常用的熔劑有固體粉末和氣體熔劑兩類，氣體熔劑由硼酸甲脂及甲醇組成；熔劑如氣劑301。

（2）黃銅的焊條電弧焊。焊接黃銅除了用銅227及銅237外，也可以采用自制的焊條。

黃銅焊條電弧焊時，應采用直流電源正接法，焊條接負極。焊前焊件表面應作仔細清理。坡口角度一般不應小于60o~70o，為改善焊縫成形，焊件要預熱 150~250℃。操作時應當用短弧焊接，不作橫向和前后擺動，只作直線移動，焊速要高。與海水、氨氣等腐蝕介質接觸的黃銅焊件，焊后必須退火，以消除焊 接應力。

（3）黃銅的手工氬弧焊。黃銅手工氬弧焊可以采用標準黃銅焊絲：絲221、絲222和絲224， 也可以采用與母材相同成分的材料作填充材料。

焊接可以用直流正接，也可以用交流。用交流焊接時，鋅的蒸發比直流正接時輕。通常焊前不用預熱，只有板厚相差比較大時才預熱。焊接速度應盡可能快。焊件在焊后應加熱300~400℃進行退火處理，消除焊接應力，以防止焊件在使用過程中裂縫。

（4）黃銅碳弧焊。黃銅碳弧焊時，根據母材的成分選用絲221、絲222、絲224等焊絲，也可用自制的黃銅焊絲施焊。焊接可以采用氣劑301等作熔劑。焊接應短弧操作，以減少鋅的蒸發和燒損?！?/span>

直流TIG焊工藝方法廣泛應用于銅及銅合金的焊接，焊風成形好，內外質量優良，在氬氣的保護下，熔池純凈，氣孔少，熱裂影響小，操作易掌握。厚度≤4mm 時可不用焊前預熱，直接用氬氣預熱，待熔池溫度接近600℃時，可加填充焊絲熔化母材，實現焊接。厚度大于4mm的銅材，純銅應預熱400~600℃。銅 合金焊接預熱200~300℃。300TSP，315TX直流TIG焊機可焊接純銅、硅青銅、磷青銅、黃銅、白銅等銅合金。300WP5、 300/500WX4交直流兩用TIG焊機可用交流TIG焊接鋁青銅（用交流方波清除表面氧化膜）及用直流TIG焊接上述銅材。

近年來，采用MIG方法焊接銅及銅合金的施工越來越多，尤其對于厚度≥3mm的鋁青銅、硅青銅和白銅最好選用MIG焊方法。厚度3~14mm 或>14mm的銅及銅合金幾乎總要選用MIG焊，因為熔敷效率高、熔深大、焊速快（一般為TIG焊的3~4倍），實現高效、優質、低成本的經濟效益 要求。銅材施焊前均應達到預熱溫度要求（純銅400~600℃，銅合金200~300℃），焊絲與母材化學充分相似，氬氣純度≥99.98%

3、不銹鋼與銅及其合金焊接方法

不銹鋼與銅及其合金焊接主要問題是焊縫區及熔合區易產生裂紋和熱影響區滲透裂紋，焊接填充金屬選用不當更是如此。

如采用奧氐體不銹鋼作填充金屬材料，由于銅也是奧氐體組織形成元素，焊縫仍為奧氐體組織在結晶時晶粒晶粒間存在一層低熔點的液態銅，很容易引起裂紋，

當改用蒙乃爾合金作填充金屬材料（如Ni70%+Cu30%）時由于焊縫中含鎳較高，能增加銅在奧氐體組織中的熔介度，可以減少銅的有害作用，使熱裂紋傾向降低。

又如采用某些銅合金（如鋁青銅）和紫銅作填充金屬材料時，由于焊縫中含銅量較高，故結晶時奧氐體晶粒間低熔點的銅液較多，有一定愈合作用，所以熱裂紋傾向較少，

但焊縫中熔入的Fe,M,Cr等使焊縫變脆，沖擊韌性降低，并且在不銹鋼一側熱影響區中仍可能產生滲透裂紋，所以只有在對接頭機械性能要求不高時，才可以采用這類填充金屬材料。

由于鎳無論在液態或固態都能與銅無限互溶，因此焊接時采用純鎳（Ni≥90%,Fe≤8%）做填充金屬材料，能極大地排除銅的有害作用，而且還能有效地防止滲透裂紋，是最好填充金屬材料。

焊接工藝：

1． 選用純鎳作填充金屬絲，也可用鑄鐵焊條Z308去除藥皮擦干凈作填充金屬絲。

2． 在不銹鋼或銅上（接觸焊面）堆焊一層過渡層，然后進行焊接。

3． 兩工件焊接邊緣，需去除氧化層，用砂紙打磨至光亮金屬為止。

4． 由于銅散熱快，鎳極電弧應偏銅的一方稍多，只利于焊縫熔合良好。

5． 采用交流電源焊接，可減少金屬熔化時的蒸發，尤其不銹鋼與鋁青銅的焊接。

6． 焊接電流可根據工件厚薄和大小，而進行精細的調節準確。

7． 氬氣流量，為12～15升/分，最好選用高純氬。

4、銅與鋼的焊接

方法一：用氣焊，加紫銅焊絲。

方法二：用鎢極氬弧焊，加紫銅焊絲。

方法三：用J507焊條，外纏Φ1.25的純銅絲（若是漆包線必須清理干凈），焊前經350℃烘焙2h，降至100℃時隨用隨取。焊前將工件清理干凈，用氧乙炔火焰預熱，預熱溫度為650～700℃，焊接過程中應保持此溫度。焊條選Φ3.2mm的，電流選上限值，焊速為5～225px/min，直流反接法施焊。

為保證焊透，電弧在銅板一側停留稍長時間，利用電弧吹力使銅和鋼充分均勻混合。根據板材厚度決定纏繞的疏密程度，一般間距為2～3mm，銅絲不能和焊芯及鉗口相接觸。

按原理來說，銅和大多數金屬無限互溶。焊接時采用紫銅線或者黃銅焊絲都可以。以紫銅焊接為例，由于紫銅導熱較快，如果你的銅板較厚的話，銅板就要先預熱到200~300度，采用氣焊或者氬弧焊焊接都可以

由于鋼板的熔點比紫銅高近500度，所以焊接時，電弧先偏向鋼板一側，使電弧熱量偏重于鋼板，等鋼板一側形成熔池后再把電弧稍往紫銅一側傾斜，往熔池送焊絲即可。

5、銅與鋁的焊接

鋁與銅的焊接特點

鋁與銅可以用熔焊、壓焊和釬焊，其中以壓焊應用最多。

熔焊的主要困難是鋁和銅的熔點相差很大(達423°C)，焊接時很難同時熔化。高溫下鋁強烈氧化，焊接時需有防止氧化措施和清除熔池中的氧化物。鋁和銅在液態下無限互溶，在固態下有限固溶。鋁和銅能形成多種由金屬間化合物為主的固溶體相，其中有AlCu2、Al2Cu3、AlCu、Al2Cu等。鋁-銅合金中銅含量在12%～13%（質量分數）以下時，綜合性能最好，因此熔焊時應設法控制焊縫金屬的鋁銅合金中銅的含量不超過這個范圍，或者采用鋁基合金。

鋁和銅均為塑性很好的金屬，因此兩者很適于用壓焊焊接，尤其是冷壓焊、摩擦焊、擴散焊等。

主要焊接工藝要點如下：

熔焊： 鋁與銅組合最好采用氬弧焊。焊時，電弧中心要偏向銅板一側，偏移量相當于厚度的1/2，以達到兩側同時熔化?？刹捎眉冧X或鋁-硅作填充焊絲。焊縫金屬中加入合金元素可改善鋁銅熔焊接頭質量，加入鋅、鎂能限制銅向鋁中過渡；加入鈣、鎂能使表面活化、易于填滿樹枝狀結晶的間隙；加入鈦、鋯、鉬等難熔金屬有助于細化組織；加入硅、鋅能減少金屬間化合物。加入方法可在焊前涂到銅的待焊表面上。

采用埋弧焊時，接頭形式如圖1所示。電弧與銅件坡口上緣的偏離值l=(0.5～0.6)δ，δ為焊件厚度。銅側開J形坡口，鋁側為直邊。在J形坡口內預置φ3mm的鋁焊絲。當工件厚度為10mm時，采用焊絲直徑φ2.5mm，送絲速度332m·h-1，焊接電流400～420A，電弧電壓38～39V，焊接速度21m·h-1。焊后焊縫金屬中w(Cu)在8%～10%范圍，可得到滿意的接頭力學性能。

壓焊：（1）摩擦焊。棒料對接時，焊前需對工件退火，銼平接合表面，并盡快焊接，以免沾污或重新生成氧化膜。摩擦焊加熱溫度應低于鋁銅共晶溫度(548°C)，一般控制在460～480°C。這樣既能防止產生脆性的金屬間化合物，又能保證有足夠的塑性變形。

板料對接可以采用攪拌摩擦焊，只要焊接參數選擇合適，也能獲得良好的焊接接頭，以板厚為2mm的鋁合金5A06(LF6)+純銅T1對接焊為例，在攪拌頭轉速375～1180r·min-1，焊接速度30～150mm·min-1較寬范圍內焊接都能獲得良好的焊縫成形。其中以轉速1180r·min-1，焊接速度30mm·min-1時的接頭抗拉強度最高，達到297～62MPa，是鋁合金5A05(314MPa)的95%。

另一例子頗有特色，板厚為4mm的5A05+T2對接攪拌摩擦焊，焊接時把純銅T2位于前進側，攪拌頭的攪拌針偏向鋁合金5A05側0.9mm，焊前預熱200°C，以攪拌頭轉速為1250r·min-1，焊接速度為40mm·min-1進行焊接，同樣獲得良好的焊縫成形。

（2）電阻閃光焊和儲能對焊 鋁-銅閃光對焊和電容儲能對焊都是依靠提高頂鍛速度和足夠大的頂鍛力，同時嚴格控制有電頂鍛時間，將已形成的金屬間化合物隨液態金屬一起擠出接口之外，使脆性層盡量的薄和不連續，來保證接觸面處產生較大塑性變形。例如：閃光對焊時，采用大電流(比焊鋼時大一倍)、高送料速度(比焊鋼時高4倍)，高壓快速頂鍛(100～300mm·s-1)和極短的通電頂鍛時間(0.02～0.04s)。有時為了防止產生脆性化合物，事先在銅表面上鍍上鋅、鋁或銀釬料。

真空擴散焊：鋁-銅真空擴散焊可獲得導電、導熱性能都很好的牢固接頭。焊時不需加中間過渡層，其主要焊接參數為：真空度6.67×10-3Pa，焊接溫度500～520°C，壓力9.8MPa，時間10min。詳見機械工業出版社出版的《焊接工程師手冊》第五篇第5章。

釬焊：在電器元件制造中經常采用鋁-銅釬焊，詳見機械工業出版社出版的《焊接工程師手冊》第五篇第10章。

熔焊-釬焊：熔焊-釬焊是熔焊和釬焊聯合用于鋁-銅接頭的一種焊接技術。通常是對銅用釬焊，即在銅的待焊表面先搪一層鋅基釬料或鍍一層50～60μm的鋅層。然后與鋁進行熔焊，只熔化鋁一側。如果用氣焊，則用CJ401焊劑和純鋁焊絲進行焊接；用鎢極氬弧焊時，只需填充鋁焊絲。