铜及铜合金的焊接

全文:目前对铜及铜制冲压性的系统科学研究很少,经过长期对铜及铜制的冲压性科学研究以及查阅相关资料,概要介绍了铜及铜制的分类、物理性质;分析了铜及铜制的冲压性、钢与铜及铜制的冲压性以及在冲压操作过程邵依雯出瑕疵(导管、裂缝)的原因和化解举措;探讨了铜及铜制、钢与铜及铜制的冲压工艺技术。事实证明:冲压方式和工艺技术优先选择得宜,冲压金属材料优先选择合理,在冲压操作过程邵依雯再次出现的瑕疵是完全可以避免的。

关键字:铜;铜制;冲压性;工艺技术

文献N53SI241SV: B

长期以来,铜及铜制的冲压主要是应用金属材料、spinning、耐腐蚀、氩气保护焊、埋焊、扩散焊等方式。近年来,随着冲压技术的发展,又采用了激光束、激光、激光弧等高能冷却系统展开冲压,取得了较好的效果。本文就铜及铜制的冲压性、冲压操作过程邵依雯再次出现的问题及化解举措展开了叙述。

1.铜及铜制的种类及物理性质

1.1铜为体心魔方晶体,具备非常多的位移侧向系,常压、高温变形能力较好,淬火状态的铜,不须中间淬火解所85%～ 95%而不产生裂缝。但热管在500～ 600℃呈现Haon脆性。在冲压操作过程中,易在此环境温度区间发生裂缝。据科学研究,Haon脆性和杂质的物理性质、浓度、分布、固溶度等相关。铜可分成有氧铜和含有少量氧的热管。热管的极性操控性好,常见于极性金属材料,但是存在Cu2O-Cu的低熔点固相物,冲压极易再次出现裂缝。有氧铜又可分成用P、Mn核苷的核苷铜和有氧铜,由于其冲压性好,常见于冲压内部结构。

1.2铜制

铜制分成铜制、铜制、银质五类。

1.2.1铜制

铜制是Cu-Zn钛,根据Zn的浓度不同又可分成很多种,为了改变铜制的操控性,也可以加入其它原素,如Al、Ni、Mn等。从而形成了铝铜制、镍铜制、锰铜制等。由Cu-Zn相互依赖系波谱可知,铜制液态下有T、

U、V、W、X、Z六个相,其中T弯果以铜为基的软膏剂,其晶体常数随Zn浓度的减少而增大。 Zn在铜中的溶解性与一般钛相反,随环境温度减少而减少,在456℃时固溶度达最小值后, Zn在铜中溶解性随环境温度的减少而减少。T软膏剂具备较好的脆性,可展开冷暖研磨,并有较好的冲压操控性。

1.2.2铜制

铜制是Cu与Sn、Al、Si等原素的钛。按成分可分成锡铜制、铝铜制、硅铜制等。铜制具备较高的耐腐蚀性、力学操控性和抗腐蚀,弹性和冲压操控性都较好,且线收缩系数小。铜制广泛用于模具和研磨制品。

1.2.3银质

银质是陶灶钛,颜色呈白色或淡红褐色。银质具备耐火和耐旱的操控性,中等强度,脆性高,能展开冷暖压力研磨,还有较好的电磁学操控性,除用作内部结构金属材料外,还是重要的高阻抗和放大器钛。所以,银质按其用途可分成内部结构银质和电工银质。内部结构银质具备较好的抗腐蚀,优良的力学操控性和压力研磨操控性,冲压性好,主要用来制造冷凝管、蒸发器、热交换器和各种高强度的耐蚀件等。另外,银质中也可加入其它原素,形成铁银质、锌银质、铝银质、锰银质等。

2.冲压性分析

2.1铜及铜制的冲压

2.1.1铜

普通工程中所用的铜,其浓度一般在99.95%以上,其余是杂质,杂质的存在对铜的冲压性有很大的影响。

(1) Bi与Pb是铜中的主要杂质,它们均不溶于液态铜,微量的Pb形成低熔点固相组织(Cu+ Pb),其固相环境温度为326℃ ; Bi与Cu也形成低熔点固相组织(Cu+ Bi),其固相环境温度为270℃ ,这些固相体最后结晶,集中在晶界上,会使铜产生脆性,在冲压操作过程中形成裂缝,因此,应限制Bi、 Pb在铜中的浓度, Bi <0.002% , Pb<0.005%。

(2) P的熔点为44℃ ,在700℃时P在铜中的溶解性为1.75% ,而在200℃时的溶解性则仅为0.4% ,环境温度下降, P在铜中的溶解性也下降。它能显著减少铜的延展性和导热性,但对铜的力学操控性有较好的影响,冲压时可作为还原剂,但浓度过多,会使焊缝金属产生导管和裂缝。

(3) S能溶解在熔融的铜中, S的存在使铜的熔点减少,形成Cu2 S脆性化合物,使铜的脆性减少,当S浓度>0.1%时,铜就会有热脆性,冲压时热状态就产生裂缝。

(4)氧很少固溶于铜,与铜生成Cu2O,由Cu-O2波谱可知,含氧铜冷凝时,氧呈固相体(Cu+ Cu2O)析出,分布在晶界上,其熔点是1 066℃ ,固相体比铜后凝固,分布在晶体的晶界,这就减少了铜的脆性和耐腐蚀性,也使其冲压性变差。

铜有较高的导热性(比低碳钢导热系数大8倍),若加热环境温度不高,即使长时间加热也不易使Cu熔化。而随环境温度的升高,它的结晶组织变为粗大,相互间连接能力减少。

铜在冲压极易再次出现的瑕疵主要有裂缝和导管。首先是热裂缝和氢侵蚀裂缝。由于铜中含有一定量的使铜的固-液区间扩大的杂质,如Pb、 Bi、 P、 As等。所以,即使杂质浓度很少,也十分容易产生热裂缝。其次是氢的侵蚀裂缝,由于铜中含有一定量的氧,冲压操作过程中,氢就会向铜中扩散,发生如下反应:

u2O+ H2 2Cu+ H2O

所形成的H2O,以气体形态聚集于晶界,造成氢侵蚀裂缝。

最后是导管,导管是由以下反应形成的:

2H(a)+ O(a) H2O(g)　 　 (1)

2H(a) H2(g) (2)

式中(a)为原子态, (g)为气态。

由反应(1)生成的H2O,不溶解于铜中,在铜的凝固操作过程中,来不及逸出而形成导管,同理由反应(2)生成的H2,也会形成氢导管。防止导管的举措主要是在冲压金属材料中加入一定量的核苷剂,提高焊前预热环境温度,减缓熔池的冷却速度,以使H2、H2O能有时间逸出,另外还可以在焊枪上加电磁发生设备,使电磁作用于熔池,搅拌熔池,使气体逸出。

2.1.2铜制

铜制在冲压时的主要困难是铜制中Zn的蒸发(Zn在906℃时蒸发),由于Zn的蒸发而容易产生多导管的焊缝。在冲压锡铜制时,当环境温度升高, Sn极易蒸发或氧化成SnO2,在焊缝金属中很难除去,于是形成导管和夹杂物,因此在冲压时应加入一定量的核苷剂。铝铜制冲压时, Al和O2反应生成难熔的Al2O3,为了清除Al2O3,可采用铝钛冲压时的还原剂。Ni是银质的主要成分, Ni的熔点为1 450℃ ,沸点3 075℃ ,并具备加热到700～ 800℃时仍不氧化的操控性,因此,在冲压

银质的操作过程中,主要应防止Cu的蒸发和防止O2、S、C的破坏作用。

铜制的冲压,最主要的问题是裂缝。与铜一样,由于杂质在晶界析出,铜制也十分容易形成裂缝。在铝铜制中,由于含Al量比较低,所以形成了T单相的焊缝组织,裂缝敏感性比较高,特别是多层焊时,前一层易再次出现裂缝。如果提高Al的浓度,就会形成T+U的双相组织,可以抑制裂缝的再次出现,但是Al的浓度过高,会在U相中析出V2硬质相,又会使裂缝敏感性增大,所以, Al的浓度以7%～ 11%为宜,且要加入一定量的Ni、 Fe、 Mn来抑制V2硬质相的析出。

Cu和Ni无限互溶,因此焊缝组织是粗大的T单相软膏剂,由于受杂质原素的影响,固、液相区间扩大,晶界析出低熔点固相物,在冲压应力的作用下,易形成裂缝。多层焊时裂缝敏感性更大,应避免使用过大的冲压线能量。

2.2钢和铜、铜制的冲压

Fe与Cu的熔点、导热系数、线胀系数差异较大,这对钢与铜的冲压是不利的。由Fe和Cu的相互依赖钛波谱可知: Fe<0.3%时为相,Fe<0.2%时为X相,其它情况为T+X相组织,所以铜和钢冲压时,在熔合线

附近靠铜一侧为T+X组织。钢与铜、铜制冲压时,主要问题是易再次出现热裂缝、铁稀释侵入裂缝及渗透裂缝,而导管倾向比较小。

(1)热裂缝主要是由焊缝中的低熔点固相体、组织状态以及冲压应力造成的。

钢和铜中都含有杂质,在冲压操作过程中能形成各种=低熔点固相体和脆性化合物,容易产生偏析。冲压低碳钢和铜、铜制时,焊缝邵依雯形成FeS (熔点为1 189℃ )、 FeP (熔点为1 050℃ )和(Fe+ FeS)固相体(固相环境温度为985℃ )。再加上铜中的一些低熔点固相体,这些化合物和低熔点固相体偏析于晶界,严重地削弱了金属在高温时的晶间结合力,焊缝易产生热裂缝。

焊缝中Fe浓度对热裂缝的影响也很大。当Fe浓度达0.2%～ 1.1%时,焊缝金属呈T单相组织,抗热裂缝能力减少,当Fe浓度加大时,焊缝变为T+X双相组织,抗热裂缝能力提高,当Fe浓度为10%～ 43%时,抗

热裂缝能力最好。

(2) Fe的稀释侵入裂缝

文献[3]认为,在液态下, Fe和Cu几乎不固溶,由于钢的稀释而使Fe侵入焊缝,偏析于晶界。和Fe同时熔入焊缝的C浓缩于Fe中,形成含C较高的Fe的脆性化合物Fe3C,这种Fe的析出相硬而易偏析,减少

了焊缝的韧性及抗裂缝能力。

(3)铜的晶界渗透裂缝

在钢表面堆焊铜及铜制时,近缝区产生渗透裂缝的主要原因是液态铜对钢的渗透和拉应力共同作用而形成的。文献[4]认为,在结晶操作过程中,金属组织往往存在瑕疵,因此在钢的结晶表面上,就会产生微观裂口,这时处于液态的铜,容易侵润微观裂口表面,并在毛细管效应的作用下,侵入微观裂口中。侵入钢中的铜或铜制液体,对微观裂口壁能产生一个附加压力,其压力值可达24.5 MPa,这样,在拉应力的共同作用下,近缝区就产生了热裂缝。

文献[5]认为,在铜基钎料高温金属材料不锈钢时再次出现的渗透裂缝,是由于富铜的Cu-Mn液相在金属材料表面的润湿铺展是三维的,而Mn的蒸发及向基体金属体积扩散起到了清道夫和改善金属材料表面的作用,为润湿铺展创造了较好的条件。

3.铜及铜制的冲压工艺技术

3.1铜及铜制的冲压

3.1.1铜

接操作过程中,最重要的是预热、保温,并采用较快的冲压速度,这样才能使焊缝金属很快达到熔化环境温度,晶粒不会长得过大。特别是在焊厚板时,预热环境温度必须达到400～ 500℃ 。另外,还要在冲压操作过程中加入一些核苷还原剂,以便于清除焊缝中的O2、 H2、 S等杂质。采用氩气保护焊时,使用不同的气体,得到熔深也不同,用双原子气体N2比Ar的熔深大,因此,保护气体用N2时预热环境温度可以减少一些。一般在焊丝中加入一定量的Si比较好。用激光、激光弧、激光束冲压则比较好,用激光束熔焊核苷铜时,第一次焊易再次出现瑕疵,再焊一次时则焊道成形较好。

3.1.2铜制

(1)铜制

为了减少Zn的蒸发,冲压时应尽可能地采用快速焊,这就需要加大冲压线能量,因此,焊前最好先预热,预热环境温度为200～ 250℃ 。尽可能不补焊或在反面冲压,因为再次加热会使铜制中的Zn加剧蒸发,晶粒增大,易再次出现裂缝。

(2)铜制

铜制在加热状态下脆性大,冲压时应防止冲击和震动。铝铜制冲压时, Al和O2化合成难熔的Al2O3,为了清除Al2O3可以采用铝钛冲压时的还原剂。硅铜制冲压时, Si和O2化合成SiO2,形成薄膜,可以减少其它钛成分的蒸发,具备较好的冲压性。

(3)银质

银质的流动操控性比较好,冲压时也要依靠加入还原剂和采用较快的冲压速度,以保证冲压接头的质量。因B30、B10都存在Haon脆性,因此拘束度大的焊缝易再次出现裂缝,应尽可能的采用小的冲压线能量,以使晶粒细小,提高冲压质量。

3.2　钢和铜、铜制的冲压

钢和铜、铜制的冲压主要采用埋焊、金属材料、氩气保护焊。

铝铜制与钢冲压时,由于铝铜制导热系数小,因此需要预热,一般为100～ 200℃ 。而陶灶钛则不用预热,因钢与陶灶钛的导热系数相近。冲压时要注意优先选择正确的焊丝,用于防止渗透裂缝和铁稀释侵入裂缝。因此,一般采用熔深浅的TIG焊。

工程上,在钢的表面上堆焊B30、B10的情况经非常多,一般采用TIG焊、带极埋焊,最好是采用激光弧堆焊,因稀释率最小可达2%。冲压时多采用纯镍或蒙乃尔钛作过渡层,然后再焊工作层,效果比较好。

否则易再次出现裂缝,特别是Fe的稀释侵入对裂缝的影响比较明显。因此,采用稀释率比较低的激光弧堆焊就可以不要过渡层,如果工艺技术优先选择合理,金属材料优先选择得宜,堆焊质量较好。