水冷铜坩埚中紫铜与不锈钢焊接工艺研究
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摘 要
本文对紫铜与不锈钢的焊接工艺进行研究，通过对铜钢焊接过程中常见问题分析，设计了单一因素对比试验，通过试验研究确定了紫铜、不锈钢焊接的基本工艺参数范围。通过进一步对不同焊接速度、送丝速度、焊枪角度下，各组织的宏观形貌照片进行分析研究，最终获得了最优焊接工艺参数为焊接电流170A，焊接电压15.8V，送丝速度7.3m/min，焊接速度35cm/min，焊枪角度90°左右。
关键词
紫铜;不锈钢;焊接
中图分类号： TG444.74 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.030
0 前言
铜的物理特性如熔点、热导率、线膨胀系数及力学性能与钢的相关特性有较大差异，此种性质对铜和钢的焊接增加了一定的难度，导致了铜和钢在焊接过程中很容易出现不同形态的裂纹和变形。对高温状态下铜和铁的微观结构进行分析发现，在高温状态下，它们的原子半径、晶格类型和常数及外层电子数都较为接近，这种特性表明了铜和钢在一定高温下是可以焊接的，因為相似的微观结构有利于原子间的扩散[1]。对铜和铁的相图进行分析，在液态时，Cu与Fe是无限互溶，在固态时为有限互溶，且不形成脆性的金属间化合物，以双相组织存在[2]，此种性质进一步表明铜和钢焊接是可行的，可以形成性能优异的铜钢复合部件。
在铜铁焊接过程中，常见的问题有焊缝的热裂倾向、近缝区的渗透裂纹、熔合区变形、气孔倾向、接头性能下降倾向，以上各种问题，如果过度发展，都会导致铜铁焊接质量下降，甚至出现在焊接位置存在空洞的现象，为解决以上问题，开展了紫铜和不锈钢焊接工艺的研究。
本文针对铜钢焊接过程中的常见问题，开展了单因素焊接实验，对焊缝成型效果影响较大的工艺参数进行了研究，通过多搭接接头焊接后的组织和性能分析，优选出了铜钢焊接的关键工艺参数。
1 铜铁焊接常见问题原因分析
铜铁焊接过程中常见的问题在前言部分做了说明，针对不同问题做相应的原因分析。
对于焊缝的热裂倾向，主要是焊接过程中产生的热应力集中导致的，原料或焊料中的有害杂质元素与铜或铁结合形成了低熔点共晶体或脆性化合物，此种组织状态易对铜铁形成的固溶体造成破坏，产生焊接应力，导致焊接过程中产生热裂纹。为此，在焊接过程中，对原材料的成分进行严格控制，并在焊接前进行预热，减少焊接应力的存在。
对于在焊缝附近产生的渗透裂纹，分析原因为在焊接的过程中，焊接电流不合适或者是焊接结束后，冷却方式不合适，这就容易使得在结晶的过程中，在金属组织上产生缺陷，这种缺陷主要表现为在铁的结晶表面出现微小的裂口，在焊接时，熔化的铜液渗入微小的裂口，深入裂口的铜液会沿着晶界继续前进，导致铁结晶表面的晶界能下降，再由于焊接拉应力的作用，在焊接接口附近产生渗透裂纹[4]。
对于熔合区出现形变的问题，分析原因主要是由于铜金属与铁金属的导热率和收缩率存在较大的差异。钢材的导热率比铜的导热率要小得多，约为铜的十分之一作用，在进行铜铁焊接的过程中，大量的热量会从母材散失，使得焊接温度不能达到焊接所需要的熔化温度，导致焊材之间熔合困难。同时由于铜金属的线膨胀系数和收缩率一般要比铁大，约为一倍，若在进行焊接作业时，铜铁的接头处及周边未进行约束，在焊接时将容易造成熔合区变形[4]。针对以上问题，在焊接时，对母材进行预热处理，并设计工装，约束焊接接头，防止变形。
2 试验材料及其预处理
试验材料使用了T2紫铜和304不锈钢，将不锈钢和紫铜如下图所示搭接，进行焊接，紫铜试验板规格为50mm×30mm×3mm，不锈钢试验板规格为50mm×30mm×3mm。
填充材料选用纯铜焊丝，直径为1.2mm，其成分如表1所示。
在焊接前，需要对试验用金属板进行表面清理，通过打磨机对铜板和钢板的待焊接区域进行打磨清理，去除其表面的氧化膜与吸附层，打磨后再用丙酮擦拭，做进一步的清理后开始焊接作业，以此保证焊缝质量。
3 焊接工艺研究
在利用焊机进行焊接作业时，关键工艺参数有焊接电流、焊接电压、焊接速度送丝速度、和焊枪的角度，不同工艺参数对最终的焊缝质量均存在影响，主要影响为焊接成形，焊接组织及接头强度等方面。通过对焊缝成形的影响研究，确定出可以形成良好成形效果的工艺参数。下表为初步选择的焊接工艺参数，用以进行铜铁焊接试验。
表2中的6组参数进行铜铁焊接，得到成形情况如下的6条焊缝。
1#、2#样品的焊接速度不同，其他参数相同，3#样品的焊接参数中电压较高，电流较小，4#样品的焊接参数中电压较低，电流较大，5#、6#样品除焊枪角度不同外，其他参数相同。从以上不同参数的焊接成形外观来看，当焊接的送丝速度保持7.5m/min，焊枪角度保持90°时，焊接速度越大，焊缝余高隆起越低，焊缝的宽度越窄，但整体成形效果尚可。保持焊接参数中的焊接速度为30cm/min，焊枪角度为90°，同时改变送丝速度，随着送丝速度的变化，余高也发生了变化，随送丝速度的变快，余高也变得饱满，当送丝速度达到一定值后，余高出现过高显现，焊缝填充量出现过多现象，这会导致焊缝宽度不均匀，因此在焊接过程中，要保持送丝速度合适，这样才能保证余高隆起美观，焊缝宽度均匀，通过对样品对比发现送丝速度在7.3～7.5m/min较为合适。对焊枪角度不同的样品进行对比分析，发现焊枪角度不合适容易导致焊接过程不稳定，焊缝宽窄不均匀，若焊枪角度过大或者过小，在焊接过程中可能出现保护效果不佳，导致焊接出现咬边、熔合不充分或者气孔等缺陷，通过对比确定焊枪角度在90°～105°较为合适。
通过对以上结果分析，初步确定铜铁焊接的主要工艺参数，即焊接速度30～35cm/min，送丝速度7.3～7.5m/min，焊枪角度90°～105°。 4 焊接接头组织结构分析
为进一步分析焊缝的焊接质量，对采用以上参数获得的样品开展宏观形貌分析，图3中图片为焊接速度不同，送丝速度和焊枪角度保持不变的焊接样品接头宏观形貌。
对在不同焊接速度下样品的铺展效果进行对比，发现焊接速度在35cm/min时，铺展宽度较焊接速度30cm/min为增大趋势。在送丝速度维持不变的情况下，，余高的尺寸将会出现随焊接速度减小增大的趋势，余高尺寸过大在一定程度上影响了焊缝的美观，更使得在焊缝中产生缺陷的可能性增加，从而进一步导致接头的应力集中现象。同时随着焊接速度的减小，焊接过程中的热输入将更多，热输入的增加对铜一侧热影响区的性能会造成不好的影响，使得铜侧的更加薄弱。同时在焊接速度为35cm/min时，接头上接触角的度数为锐角，这有利于减小接触处的应力集中的现象，因此优选焊接速度为35cm/min。
为进一步研究不同送丝速度对焊接的影响，保持焊接速度为35cm/min，焊枪角度为90°，观察接头的宏观形貌，如图4所示。
通过对不同送丝速度下接头处的铺展效果进行对比，发现随着送丝速度的增大，铺展宽度几乎维持不变，余高尺寸由于进料变多，出现增大的趋势，余高增大对在接头处产生缺陷的可能性增大，并容易造成接头处的应力集中。同时送丝速度增大，焊接所需要的电流也要相应的增大，从而提高了焊接过程中的热输入，热输入对铜侧的热影响区的性能会造成一定的不良效果，因此在送丝速度满足进料要求的情况下，选择较小的送丝速度，即7.3m / min。
为研究不同焊枪角度下焊接效果，保持焊接速度和送丝速度一致，对焊枪角度从75°～105°的焊接接头宏观形貌进行观察，如图5所示。
对在不同焊枪角度下的焊缝铺展宽度进行对比发现，焊枪角度改变对铺展宽度的影响不大，在为钝角时铺展宽度较小，这导致了焊丝熔化后越堆越高，使得余高变大。对不同焊枪角度下焊接接头的宏观形貌圖片进一步观察发现，在焊枪角度为90°时，焊接接头之间的接触角较75°和105°都较大，而接触角越大相对来讲焊接质量越好，所以焊枪角度选择接触角最大的90°左右。
通过宏观形貌的对比分析，最终确定焊接工艺参数为焊接电流取170A，焊接电压取15.8V，送丝速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊枪角度保持在90°左右。
5 结论
（1）通过对焊接电流、焊接电压、送丝速度、焊接速度和焊枪的角度进行试验研究，确定了紫铜与不锈钢搭接的基本工艺参数范围。
（2）通过研究不同焊接速度、送丝速度、焊枪角度下，各组织的宏观形貌照片，获得了最优焊接工艺参数为焊接电流取170A，焊接电压取15.8V，送丝速度控制在7.3m/min，焊接速度控制在35cm/min，焊枪角度保持在90°左右。
参考文献
[1]艾建玲，杨永福，卢立申.铜-钢复合板管板接头的焊接技术[J].2000，29（3）13～14.
[2]吴博文.铜—钢异种金属双丝焊工艺研究[D].南京理工大学，2009.
[3]吕世雄，杨士勤，王海涛，薛承博.堆焊铜合金/CrMnSi接头的界面结构特征[J].焊接学报，2007，28（2）：63～68.
[4]张希川，安振之，马学智.铜-钢焊接时防止裂纹产生的措施[J].沈阳工业大学学报，2000，22（2）：125～126.
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