申報焊工高級技師論文

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紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊

劉福

北京化工機械有限公司

201*年2月1日

目錄

一前言

二紫銅與低碳鋼的焊接分析

1難溶合及易變形2易產(chǎn)生裂紋3氣孔

三紫銅與低碳鋼的焊接工藝要點

1焊接材料的選擇2坡口形式的選擇3坡口清理4工件預(yù)熱5焊接6焊后保溫

四焊接檢驗

1拉伸試驗2金相檢驗

五結(jié)論

紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊

摘要：通過紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊的生產(chǎn)實踐，對銅鋼焊接易產(chǎn)生裂紋，未溶合和氣孔等缺陷進行了試驗分析，并采用了合理的焊接工藝，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，保證了工件質(zhì)量。

一前言

紫銅具有優(yōu)良的到點和導(dǎo)熱性能，因而在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。為了節(jié)約有色金屬銅，降低成本，常常在結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位采用紫銅，而其他部位則采用成本低廉的低碳鋼材料。這種結(jié)構(gòu)多數(shù)采用焊接方式，紫銅與低碳鋼的焊接質(zhì)量相對整體結(jié)構(gòu)來說也變得尤為重要。

在眾多焊接方式中，熔化極氬弧焊以其電弧熱量集中，高效，焊接質(zhì)量好等優(yōu)點，而被廣泛采用。

二紫銅與低碳鋼的焊接性分析

1難熔合及易變形

由表1看出，銅與鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，線脹系數(shù)和收縮率差異較大，這對保

證銅與鋼的焊接質(zhì)量非常不利。

表1銅與鐵的物理性能的比較金屬導(dǎo)熱系數(shù)線脹系數(shù)收縮率W/（mk）(20-100)/100000020℃100℃攝氏度分之一Cu393.6326.616.44.7Fe54.829.314.22.0

銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，20℃時銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鐵大七倍多，100℃大十一倍多。

焊接時熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以熔合。鐵與銅在液態(tài)下完全不互溶，只能呈機械混合狀態(tài)，這是焊接時的最大難點，只有機械式互相結(jié)合，而無冶金結(jié)合。

銅的線脹系數(shù)和收縮率也比較大。銅的線脹系數(shù)比鐵大15，而收縮率比鐵大一倍以上。焊接時，如工件剛度不大，又無防止變形的措施，必然會產(chǎn)生較大的變形。當(dāng)工件剛度很大時，由于變形受阻會產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。

2易產(chǎn)生裂紋

在銅與鋼的焊接時，在焊縫金屬晶粒間存在低熔點共晶，如（Cu+Cu20）

共晶體（共晶溫度為1065℃，低于銅的熔點）等。在結(jié)晶后期，這些共晶體以液態(tài)形式分布在固態(tài)α銅的晶粒邊界，割斷了固體晶粒的聯(lián)系，使晶粒間的結(jié)合

力受到削弱，使焊縫金屬的塑性顯著下降，再加上銅與鋼的線脹系數(shù)和收縮率差異較大，在焊縫冷卻過程中將產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，當(dāng)銅鋼焊縫強度，塑性顯著下降，并且焊件中存在內(nèi)應(yīng)力時，就在接頭的脆弱部位形成熱裂紋。

3氣孔

銅與鋼焊接時，焊縫中常會出現(xiàn)氣孔。

基于對銅鋼焊接性的分析，制定合理的焊接工藝是保證銅鋼焊接質(zhì)量的前提，遵守操作規(guī)程才能使銅鋼焊接接頭質(zhì)量得以保證。

三紫銅與低碳鋼的焊接工藝要點（以環(huán)縫焊接為例）

1焊接材料的選擇

銅鋼熔化極氬弧焊常用焊絲牌號為HS201，焊接接頭可獲得滿意的力學(xué)性能。2坡口形式的選擇

總結(jié)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，銅鋼焊接坡口形式有以下5種可供選擇。

圖1銅鋼焊接的坡口形式

曾對以上5種坡口形式進行對比試驗，圖1d應(yīng)是首選的坡口形式。3坡口清理

用機械法或者化學(xué)法去除坡口表面及兩側(cè)（約30mm以內(nèi)）的油污，

水分，氧化物及其他夾雜物，使其露出金屬光澤。尤其是鋼側(cè)銹蝕必須清理干凈，以杜絕由于銹蝕造成的未溶合缺陷的產(chǎn)生。

4工件預(yù)熱

銅鋼焊接前必須對紫銅件進行預(yù)熱。由于紫銅工件越大，散熱越快。因

此，預(yù)熱溫度應(yīng)遵循隨工件越大，預(yù)熱溫度越高的原則，一般的預(yù)熱溫度以從600700℃為宜。

5焊接

由于銅導(dǎo)熱性好，為防止焊縫出現(xiàn)缺陷，應(yīng)采用大熱量輸入焊接。紫銅

與低碳鋼的熔化極氬弧焊的焊接參數(shù)見表2

表2紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊焊接工藝參數(shù)母材壁厚電源極性電流電壓氬氣流量焊絲直徑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紫銅與低碳鋼的MIC焊接的電流與母材壁厚、工件大小、預(yù)熱溫度有關(guān)。

傳統(tǒng)的銅鋼焊接工藝要求焊絲必須偏向銅的一側(cè)，以保證銅母材有足夠

的熱量輸入，使之熔化。這種操作技術(shù)很難掌握，焊絲偏離焊縫中心線距離過大，不能保證鋼母材金屬充分熔化，極易產(chǎn)生未溶合缺陷，合適的距離與紫銅工件的大小和壁厚有關(guān)，不是固定的數(shù)值。根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和熔化極氬弧焊熱量集中的特點，在足夠的預(yù)熱溫度下，焊絲對準坡口中心，既可保證銅側(cè)和鋼側(cè)母材充分熔化，從而減少鋼側(cè)未熔合缺陷的產(chǎn)生，也有利于焊縫的成形。

另外，施焊位置也至關(guān)重要。一般打底焊施焊位置以時鐘12點至12

點30分外為宜。

施焊位置靠前，熔池金屬易流淌，且不利于焊縫成形，也不利于下層焊

縫的施焊，施焊位置靠右，熔化的填充金屬流淌到未熔化的根部坡口上，電弧始終吹在熔化的填充金屬上，在電弧溫度不足以使根部母材熔化時，既形成根部未焊透及根部未熔合。

蓋面焊時，根據(jù)工件的回轉(zhuǎn)半徑，施焊位置可適當(dāng)后移。再者，適當(dāng)?shù)?/p>

焊接速度對保證銅鋼焊縫質(zhì)量也是至關(guān)重要的。過快，過慢均易產(chǎn)生未熔合缺陷，合適的焊接速度要根據(jù)送絲速度和工件預(yù)熱溫度來確定。

6焊后保溫

工件焊后，應(yīng)保溫緩冷。這樣，可擴大焊接區(qū)溫度場，減弱焊接應(yīng)力，

防止裂紋產(chǎn)生。

四焊接檢驗

1拉伸試驗

嚴格執(zhí)行上述工藝，既可得到滿意的紫銅和碳鋼焊接接頭。按國家標準

GB26489截取試塊制成力學(xué)性能試件，并進行拉伸試驗，結(jié)果，每個試件的ab均大于230MPa�？梢�，銅鋼焊接接頭抗拉強度高于紫銅（ab=196235.2MPa）。

2金相檢驗

經(jīng)金相檢驗，焊縫內(nèi)部組織均勻，紫銅和紫銅熔合區(qū)過度均勻，結(jié)合良

好，紫銅與低碳熔合線平直，無孔洞，且Cu和Fe相互之間有一定程度擴散，熔合區(qū)為冶金結(jié)合。

五結(jié)論

1通過焊接檢驗可知，焊縫具有良好的性能，證明焊接工藝和參數(shù)是合理的；2

紫銅與低碳鋼的物理性能和化學(xué)成分差異較大，銅鋼焊縫易產(chǎn)生很多缺

陷，如裂紋、未熔合、氣孔等，但只要執(zhí)行合理的焊接工藝，熟練掌握焊接操作技術(shù)，仍能獲得滿意的銅鋼焊接接頭。

劉福

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紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊

201*年2月1日目錄

一前言

二紫銅與低碳鋼的焊接分析1難溶合及易變形2易產(chǎn)生裂紋3氣孔

三紫銅與低碳鋼的焊接工藝要點1焊接材料的選擇2坡口形式的選擇3坡口清理4工件預(yù)熱5焊接6焊后保溫

四焊接檢驗1拉伸試驗2金相檢驗

五結(jié)論

紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊摘要：通過紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊的生產(chǎn)實踐，對銅鋼焊接易產(chǎn)生裂紋，未溶合和氣孔等缺陷進行了試驗分析，并采用了合理的焊接工藝，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，保證了工件質(zhì)量。一前言紫銅具有優(yōu)良的到點和導(dǎo)熱性能，因而在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。為了節(jié)約有色金屬銅，降低成本，常常在結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位采用紫銅，而其他部位則采用成本低廉的低碳鋼材料。這種結(jié)構(gòu)多數(shù)采用焊接方式，紫銅與低碳鋼的焊接質(zhì)量相對整體結(jié)構(gòu)來說也變得尤為重要。在眾多焊接方式中，熔化極氬弧焊以其電弧熱量集中，高效，焊接質(zhì)量好等優(yōu)點，而被廣泛采用。二紫銅與低碳鋼的焊接性分析1難熔合及易變形由表1看出，銅與鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，線脹系數(shù)和收縮率差異較大，這對保證銅與鋼的焊接質(zhì)量非常不利。表1銅與鐵的物理性能的比較金屬CuFe導(dǎo)熱系數(shù)線脹系數(shù)W/(mk)（20-100）/100000020℃100℃攝氏度百分之一393.6326.654.829.316.414.2收縮率%4.72.0銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，20℃時銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鐵大七倍多，100℃大十一倍多。焊接時熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以熔合。鐵與銅在液態(tài)下完全不互溶，只能呈機械混合狀態(tài)，這是焊接時的最大難點，只有機械式互相結(jié)合，而無冶金結(jié)合。銅的線脹系數(shù)和收縮率也比較大。銅的線脹系數(shù)比鐵大15，而收縮率比鐵大一倍以上。焊接時，如工件剛度不大，又無防止變形的措施，必然會產(chǎn)生較大的變形。當(dāng)工件剛度很大時，由于變形受阻會產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力。2易產(chǎn)生裂紋在銅與鋼的焊接時，在焊縫金屬晶粒間存在低熔點共晶，如（Cu+Cu20）共晶體（共晶溫度為1065℃，低于銅的熔點）等。在結(jié)晶后期，這些共晶體以液態(tài)形式分布在固態(tài)α銅的晶粒邊界，割斷了固體晶粒的聯(lián)系，使晶粒間的結(jié)合力受到削弱，使焊縫金屬的塑性顯著下降，再加上銅與鋼的線脹系數(shù)和收縮率差異較大，在焊縫冷卻過程中將產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，當(dāng)銅鋼焊縫強度，塑性顯著下降，并且焊件中存在內(nèi)應(yīng)力時，就在接頭的脆弱部位形成熱裂紋。

3氣孔

銅與鋼焊接時，焊縫中常會出現(xiàn)氣孔�；�于對銅鋼焊接性的分析，制定合理的焊接工藝是保證銅鋼焊接質(zhì)量的前提，遵守操作規(guī)程才能使銅鋼焊接接頭質(zhì)量得以保證。

三紫銅與低碳鋼的焊接工藝要點（以環(huán)縫焊接為例）

1焊接材料的選擇

銅鋼熔化極氬弧焊常用焊絲牌號為HS201，焊接接頭可獲得滿意的力學(xué)性能。2坡口形式的選擇

總結(jié)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，銅鋼焊接坡口形式有以下5種可供選擇。

圖1銅鋼焊接的坡口形式

曾對以上5種坡口形式進行對比試驗，圖1d應(yīng)是首選的坡口形式。3坡口清理

用機械法或者化學(xué)法去除坡口表面及兩側(cè)（約30mm以內(nèi)）的油污，水分，氧化物及其他夾雜物，使其露出金屬光澤。尤其是鋼側(cè)銹蝕必須清理干凈，以杜絕由于銹蝕造成的未溶合缺陷的產(chǎn)生。4工件預(yù)熱銅鋼焊接前必須對紫銅件進行預(yù)熱。由于紫銅工件越大，散熱越快。因此，預(yù)熱溫度應(yīng)遵循隨工件越大，預(yù)熱溫度越高的原則，一般的預(yù)熱溫度以從600700℃為宜。5焊接由于銅導(dǎo)熱性好，為防止焊縫出現(xiàn)缺陷，應(yīng)采用大熱量輸入焊接。紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊的焊接參數(shù)見表2表2紫銅與低碳鋼的熔化極氬弧焊焊接工藝參數(shù)母材壁厚s/mm5--89--1010--20電源極性直流反接直流反接直流反接電流I/A220-280260-320300-360電流U/V28-3028-3028-30氬氣流量Q/L/min15-1815-1815-18焊絲d/mm1.21.61.6紫銅與低碳鋼的MIC焊接的電流與母材壁厚、工件大小、預(yù)熱溫度有關(guān)。傳統(tǒng)的銅鋼焊接工藝要求焊絲必須偏向銅的一側(cè)，以保證銅母材有足夠的熱量輸入，使之熔化。這種操作技術(shù)很難掌握，焊絲偏離焊縫中心線距離過大，不能保證鋼母材金屬充分熔化，極易產(chǎn)生未溶合缺陷，合適的距離與紫銅工件的大小和壁厚有關(guān)，不是固定的數(shù)值。根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和熔化極氬弧焊熱量集中的特點，在足夠的預(yù)熱溫度下，焊絲對準坡口中心，既可保證銅側(cè)和鋼側(cè)母材充分熔化，從而減少鋼側(cè)未熔合缺陷的產(chǎn)生，也有利于焊縫的成形。另外，施焊位置也至關(guān)重要。一般打底焊施焊位置以時鐘12點至12點30分外為宜。施焊位置靠前，熔池金屬易流淌，且不利于焊縫成形，也不利于下層焊縫的施焊，施焊位置靠右，熔化的填充金屬流淌到未熔化的根部坡口上，電弧始終吹在熔化的填充金屬上，在電弧溫度不足以使根部母材熔化時，既形成根部未焊透及根部未熔合。蓋面焊時，根據(jù)工件的回轉(zhuǎn)半徑，施焊位置可適當(dāng)后移。再者，適當(dāng)?shù)暮附铀俣葘ΡＷC銅鋼焊縫質(zhì)量也是至關(guān)重要的。過快，過慢均易產(chǎn)生未熔合缺陷，合適的焊接速度要根據(jù)送絲速度和工件預(yù)熱溫度來確定。6焊后保溫工件焊后，應(yīng)保溫緩冷。這樣，可擴大焊接區(qū)溫度場，減弱焊接應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。四焊接檢驗1拉伸試驗嚴格執(zhí)行上述工藝，既可得到滿意的紫銅和碳鋼焊接接頭。按國家標準GB26489截取試塊制成力學(xué)性能試件，并進行拉伸試驗，結(jié)果，每個試件的ab均大于230MPa�？梢�，銅鋼焊接接頭抗拉強度高于紫銅（ab=196235.2MPa）。2金相檢驗

經(jīng)金相檢驗，焊縫內(nèi)部組織均勻，紫銅和紫銅熔合區(qū)過度均勻，結(jié)合良好，紫銅

與低碳熔合線平直，無孔洞，且Cu和Fe相互之間有一定程度擴散，熔合區(qū)為冶金結(jié)合。

五結(jié)論

1通過焊接檢驗可知，焊縫具有良好的性能，證明焊接工藝和參數(shù)是合理的；2紫銅與低碳鋼的物理性能和化學(xué)成分差異較大，銅鋼焊縫易產(chǎn)生很多缺陷，如裂紋、未熔合、氣孔等，但只要執(zhí)行合理的焊接工藝，熟練掌握焊接操作技術(shù)，仍能獲得滿意的銅鋼焊接接頭。

劉福

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