紫铜的焊接

四、紫铜的焊接

1．焊前准备

(1)焊前清理及清洗。

去氧化膜之前，将待焊处坡口及两侧各30mm内的油污、脏物等杂质用汽油、丙酮等有机溶剂进行清洗。

先用温度为30～40℃的10%氢氧化钠水溶液清除坡口油污，然后用清水冲洗干净，置于35%～40%的硝酸(或10%～15%硫酸)水溶液中浸渍2～3min，最后用清水洗刷干净，烘干。

去除氧化膜的方法有机械清理和化学清理。机械清理法主要是用风动钢丝轮或钢丝刷或砂布打磨焊丝和焊件表面，直至露出金属光泽;化学清理法是将焊丝和焊件置于70mL/LHNO₃+100mL/LH₂SO₄+1mL/LHCl混合溶液中进行清洗后，用碱水中和，再用清水冲净，然后用热风吹干。

(2)接头形式及坡口制备。

由于搭接接头、丁字接头、内角接接头散热快，不易焊透，焊后清除流入焊件缝隙中的熔剂和熔渣很困难，因此，尽可能不采用。应采用散热条件对称的对接接头、端接接头，并根据母材厚度和焊接方法的不同，制备相应的坡口。对不同厚度(厚度差超过3mm)的紫铜板对接焊时，厚度大的一端必须按规定削薄，削薄长度应满足A≥4(δ₁－δ₂)，如图5－6所示。采用单面焊接接头，特别是开坡口的单面焊接接头又要求背面成形时，必须在背面加上成形垫板，以保证焊缝成形良好。一般情况下，铜及铜合金工件不易采用立焊和仰焊。

图5－6　不同厚度板对接接头形式

(3)工件的装配。

工件装配时，根据不同的焊接方法、接头形式和坡口尺寸，留出接头装配间隙。装配预留间隙的方法有等间隙法和不等间隙法。等间隙法是根据工件厚度留出大小一定的间隙α，各处的间隙相等，并采取定位焊，如图5－7(a)所示;不等间隙法是指根据工件厚度、焊缝长度、垫板种类、焊接方法等留出α₁和α₂，如图5－7(b)所示。α₁和α₂可按下式估算:

当板厚≤3mm，长度L≤1500mm时:

α₁=0.5～1mm;α₂=α₁+(0.008～0.012)L(mm)

当板厚＞3mm，长度L＞2000mm时:

α₁=1～2mm;α₂=α₁+(0.02～0.03)L(mm)

以上公式的数值仅供参考，装配时要根据实际情况进行的调整。

图5－7　焊接接头的装配预留间隙

不等间隙的方法一般要好于等间隙法，不仅焊接过程顺利，变形小，并且免除了定位焊的麻烦。因此，对于长焊缝经常采取不等间隙法。

对于角焊缝和采用不等间隙法有困难的对接焊缝(如环缝)，在装配和焊接过程中，为保证两焊件间的相对位置，可以进行定位焊。定位焊缝的高度不超过坡口深度的1/3～2/3，定位焊缝的长度一般为20～30mm，间距应不大于板厚的6～8倍(工件厚度选用10mm时)。

(4)衬垫。

铜液的流动性较好，为了防止铜液从坡口背面流失，保证焊缝成形，特别是在焊接厚板及单面焊双面成形时，接头的根部需采用衬垫。有永久衬垫和可拆衬垫两种形式。

永久衬垫是用与焊件同种材料制成的，焊后永久地留在焊件上，仅适用于要求不高或使用条件允许的结构。

可拆衬垫是指焊后可拆卸，在焊接过程中不会与铜液发生反应以至污染焊缝，降低焊缝质量。常用的衬垫主要有紫铜垫、钢垫、石墨垫、石棉垫及黏结软垫等。

紫铜垫的优点是力学性能较高，能承受一定的压力，受热变形后也容易校正再用。缺点是散热快，成本较高，操作不当时垫板可能与焊缝焊到一起。

钢垫的优点是熔点较高，不容易与焊缝焊到一起，但是一般的碳钢板容易生锈，造成焊缝气孔。一般采用不锈钢钢垫，可避免这个缺点。

石墨垫的优点是熔点较高，缺点是具有一定的脆性。焊接过程中由于碳的烧损而生成一氧化碳，影响焊接质量。

石棉垫散热慢，不会与焊缝焊在一起，但是石棉垫容易吸潮，因此，焊前必须烘干。

黏结软垫主要有陶瓷黏结软垫和玻璃纤维软垫。黏结软垫成本较低，使用简单，只要求铜板用钢丝刷打磨，使其表面无浮锈和油污即可黏结，仅用手即可压紧贴牢，而不需要任何卡紧装置。在焊接过程中，黏结软垫随工件变形，保证软垫与工件贴紧，使焊缝成形稳定。

无论采用何种衬垫，都必须保证衬垫与焊件贴紧。为了防止焊件在焊接过程中变形而与衬垫贴合不紧，一般可采用适当的措施，将工件与衬垫夹紧。

(5)预热。

紫铜的导热性很强，焊前工件一般需要预热。充分预热工件，并在焊接过程中保持这个温度，是保证紫铜焊接质量的关键。预热温度根据焊件形状、尺寸和焊接方法以及所采用的焊接工艺参数而定，一般预热温度在300～700℃之间。

根据焊件尺寸和结构形式的不同，可采用气体火焰、电弧、红外线和加热炉等对工件进行局部或整体预热。预热时不要使焊件在高温下停留时间过长，以免工件过度氧化和晶粒严重长大。同时，为了防止热量散失，还应采取隔热措施。如在夹具上可能的地方，用石棉布和石棉衬垫隔热，或用石棉布盖于焊缝两侧。如果焊件在焊接过程中低于规定的预热温度，则必须重新预热。但是，同一个焊件的预热不应超过3～4次，否则容易在焊缝及熔合区出现裂纹。可以采用辅助加热的措施，以补偿热量的散失，保证焊件在焊接过程中的温度。

2．紫铜的焊条电弧焊

(1)焊前准备。

根据母材厚度，焊前应制备不同的坡口。当母材厚度小于4mm时，可不开坡口，厚度大于4mm时，开V形或双Y形坡口，如图5－8所示。

图5－8　紫铜焊条电弧焊坡口

紫铜的导热性较好，为了防止焊缝的起焊处产生未焊透等缺陷，当工件厚度大于4mm时要采取预热措施，根据工件厚度，预热温度一般在300～600℃之间。为了去除焊条药皮中的水分，焊前应将焊条烘干，烘干温度为200～250℃，烘焙时间1～2h。通常采用衬垫来保证焊缝的背面成形。

(2)焊接工艺参数。

既可采用交流焊接又可采用直流反接法焊接紫铜。其焊接电流要根据工件厚度、焊条直径及预热温度合理选择。随着预热温度的提高，焊接电流应适当减小。紫铜焊条电弧焊的工艺参数见表5－58。

表5－58　紫铜焊条电弧焊工艺参数

(3)操作要点。

焊接时应当尽量采用短弧，焊条不宜做横向摆动，可沿焊缝做往复直线运动，以改善焊缝成形;同时可延长焊缝处于液态的时间，以利于熔池中的气体逸出。长焊缝应采用逐步退焊法。焊接速度尽量快些，更换焊条要迅速，多层焊时必须彻底清除层间熔渣。焊接操作应在空气流通的地方进行，以排除烟尘及有害气体。

3．紫铜的气焊

氧－乙炔气焊比较适于焊接薄铜件、铜件的修补或不重要结构的焊接。对厚度较大的，需采用较高的预热温度或多层焊。对于小于1mm的超薄板，也可以通过改变燃烧气体成分(如丙烷－丁烷混合物)、降低火焰温度来适应焊接的需要。

(1)焊前准备。

纯铜气焊时，常采用HS201和HS202焊丝，对于薄铜板，可以采用普通的紫铜丝或从基本金属上切下的狭条作焊丝。焊接前，用清水将焊剂调成糊状，涂于焊件坡口及焊丝表面，或将焊丝在水玻璃溶液(水玻璃和水的比例为1∶1)中浸湿后，放入熔剂槽中稍滚动一下，使焊丝表面均匀地涂上一层熔剂，然后在空气中晾干10～15min;也可以将焊丝加热后放在熔剂中滚动，使焊丝表面黏上一层熔剂。为了减少焊接内应力，防止出现裂纹、气孔、未焊透等缺陷，紫铜气焊时需要进行预热。一般薄板、小尺寸的焊件预热温度为400～500℃;厚度及尺寸较大的焊件，预热温度应在600～700℃之间。可采用火焰对工件进行局部加热或放在炉中进行整体加热。

(2)气焊工艺。

气焊时，火焰及焊嘴的尺寸对接头力学性能、焊接生产率、焊接变形量等有很大的影响。紫铜气焊时，应采用中性焰进行焊接，不采用氧化焰和碳化焰。氧化焰会使熔池氧化，在焊缝中生成脆性的氧化亚铜;碳化焰会产生一氧化碳和氢气，形成气孔。

焊嘴的大小可根据焊件厚度、坡口形式、焊接位置等加以选择。焊嘴太小，容易形成未焊透、夹渣等缺陷。紫铜的导热性高，气焊时必须选用较大的火焰功率，通常比焊接低碳钢时大1～1.5倍。紫铜气焊时的参数选择见表5－59。

表5－59　紫铜气焊时的参数选择

(3)操作要点。

为了减少焊接内应力，防止产生缺陷，应采取预热措施，对薄板及小尺寸工件，预热温度为400～500℃，厚大工件预热温度为600～700℃。焊接薄板时应采用左焊法，有利于抑制晶粒长大。当焊件厚度大于6mm时，则采用右焊法，能以较高的温度加热母材，又便于观察熔池，操作方便。为防止熔池过快冷却，产生裂纹、气孔等缺陷，在焊接过程中，焊嘴与焊件在施焊处保持60°～9O°，随着焊接熔池的建立，焊嘴与焊件间的夹角逐渐缩小到60°～70°，使热量向前方左右分散。焊丝与焊件间夹角为30°～45°。焊接过程偶然中断时，焊炬应缓慢地离开熔池，防止熔池突然冷却。焊炬运动要尽可能快，每条焊缝不要随意中断焊接过程，最好是单道焊，一次焊完。焊接长焊缝时，焊前必须留有合适的收缩余量，并要先点固后焊接，焊接时应采用分段退焊法，以减少变形。分段焊法是指先用分段退焊法焊完焊缝的2/3，然后从另一个方向焊完其余的1/3，如图5－9所示。

图5－9　长焊缝的分段焊法

焊接时要控制好熔池温度，并保证工件温度不低于预热温度。可通过改变焊炬与焊件的距离及焊炬倾斜角度来控制。为了保持工件的温度，在焊接板厚为5～10mm的工件时，可另外加一把焊炬对工件进行辅助加热。对于更厚的工件，如果条件允许，最好采用立焊，由两名焊工分别在接头的两面同时进行焊接，此时可以不用衬垫。

填加焊丝时，要与焊炬的操作密切配合。当坡口处的液体金属发亮而无气泡时则可以填加焊丝。焊丝可随时拨动铜液，以便除去表面上红色的氧化亚铜。为减少高温下焊缝金属的氧化倾向，填加焊丝时应避免焊丝端部与焰接触，焰芯末端距离熔池表面一般为5～8mm。焊接厚度较大或间隙较小的焊件时，应尽可能压低火焰，以增加熔透深度。焊炬运动要快，火焰绕熔池上下左右运动，靠火焰吹力防止铜液流散。焊接速度尽可能要快，最好采用单道焊一次焊完。尽量避免焊接过程中断，一旦发生中断，焊炬要缓慢离开熔池，防止熔池突然冷却而产生裂纹、气孔等缺陷。

(4)焊后处理。

对受力或较重要的铜焊件，必须采取焊后锤击接头和热处理工艺措施。薄铜件焊后要立即对焊缝两侧的热影响区进行锤击。5mm以上的中厚板，需要加热至500～600℃后进行锤击。锤击后将焊件加热至500～600℃，然后在水中急冷，可提高接头的塑性和韧性。

4．紫铜的碳弧焊

碳弧焊只用于焊接不重要的中薄铜件。碳弧焊的热量比气焊集中，可提高焊接生产率，减少薄板结构的变形，防止热影响区金属引起过热倾向。

(1)焊接材料及焊前准备。

碳弧焊所用的电极有碳极和石墨极，熔点在3800～4200℃之间，其形状有圆形和方形等。圆形碳极的直径为6～25mm，长度为200～700mm。石墨极一般都呈正方形截面。使用前将电极端部磨成20°～30°锥形角。角度过小及电流过大时，电极容易烧损;角度过大时，电弧不稳定。焊接过程中发现电极尺寸不符合要求时，应及时修整。采用碳极焊接时的电流密度为100～200A/cm²，石墨极为200～600A/cm²。石墨极的损耗要比碳极少20%～25%，因此，石墨极可通过较大的焊接电流。

碳弧焊用的焊丝、焊剂、接头坡口形式与气焊基本相同。焊前应在焊件接头处涂上一层气剂，用水玻璃作黏结剂，焊前在焊丝表面涂上一层气剂。紫铜碳弧接头的坡口形式见表5－60。

表5－60　紫铜碳弧接头的坡口形式

(2)碳弧焊用设备及工具。

紫铜的导热性好，碳弧焊时一般要采用大功率的直流弧焊机。厚度较大的工件进行焊接时，可选用一台1000A的直流弧焊机或两台500A的直流弧焊机并联使用。

碳弧焊所用的焊钳结构如图5－10所示，电极用螺钉固定在焊钳头部的铜套上，在铜套外面焊上一圈小紫铜管，焊钳用循环水冷却。

图5－10　碳弧焊用焊钳

1－电极　2－铜套　3－螺钉　4－紫铜管　5－绝缘把手　6－石棉　7－接线端

(3)焊接工艺及操作要点。

碳弧焊的操作方法与气焊类似，常采用左焊法。大厚度的工件焊接时可采用右向焊法。右向焊法的热量较大，可提高焊接速度，还有利于熔池中氧化物、熔渣及气体的排除。

碳弧焊时，可在碳块或石墨上引燃电弧，利用电极在焊缝长度方向上的往复运动预热工件始焊端。待坡口边缘呈熔化状态时即可填加焊丝。在前进过程中焊枪略做纵向摆动。开始焊接时，焊枪与焊件间的角度一般为65°～80°，随着焊接过程的进行，逐渐向前方倾斜，成60°～70°夹角。焊丝与焊件之间的夹角为30°～45°，焊丝不能直接送入弧柱区，以免影响电弧稳定性和产生夹渣等缺陷。

紫铜焊接工艺参数的选择原则是大的焊接电流和电弧长度，快的焊接速度，以减少紫铜的氧化和接头金属内部晶粒的长大，改善焊缝热影响区的结晶组织和力学性能。采用高的焊接电压，可以防止焊缝中产生气孔，弧长控制在20～40mm较为合适。如果弧长较短，在电极端部的弧柱区内会充满由于碳极烧损而形成的CO气体，该气体溶解在铜液中会形成气孔。当弧长较长时，CO气体在到达熔池表面前，已大部分氧化成CO₂气体，因此，不宜产生焊接缺陷，但是当弧长过长时，容易引起弧偏吹，不利于焊接过程的正常进行。焊接电流要根据工件厚度、电极材料及坡口形状等因素进行选择。表5－61为紫铜碳弧焊时的参考工艺参数。一般碳极伸出焊钳夹头的长度为150～200mm，伸出长度过长会加速碳极的氧化烧损。厚板的碳弧焊要采用多层焊，工件预热温度为500～600℃，逐层清理，并在背面清根，以防引起夹渣。

表5－61　紫铜碳弧焊的工艺参数

5．紫铜的钨极氩弧焊

采用钨极氩弧焊焊接紫铜可以得到高质量的焊接接头，熔池的保护效果好，焊缝成形美观，电弧温度高、热量集中，焊接热影响区窄，焊件变形小，适合于中薄板的焊接。

(1)坡口制备。

薄板的对接接头一般不开坡口，可以采用卷边接头。当板厚为4～10mm时，开Y形坡口;板厚大于10mm时，开双Y形坡口，板厚更大时，可以采用单面U形坡口或双面U形坡口。如图5－11－所示。

图5－11　钨极氩弧焊坡口形式

(2)填充焊丝。

选择焊丝时，要保证焊接接头的力学性能及致密性，同时也要考虑产品的具体要求、导电性、表面颜色等。紫铜钨极氩弧焊用的填充焊丝主要有HS201和HS202纯铜焊丝、硅青铜焊丝、锡青铜焊丝。对于焊接质量要求不高的产品，可采用不含有脱氧元素的普通纯铜丝，但需填加气剂CJ301。焊前用无水乙醇将CJ301调成糊状，刷在坡口面上。

(3)焊接工艺及操作要点。

紫铜手工钨极氩弧焊通常采用直流正接，其焊接工艺参数见表5－62。表中所列的焊接电流范围较大。这是因为焊接电流的选择还与工件预热、垫板种类以及工件夹紧程度等因素有关，因此，表中所列的数据仅供参考，应根据实际情况进行适当的调整。

表5－62　紫铜手工钨极氩弧焊焊接参数

紫铜手工钨极氩弧焊的操作技术与不锈钢焊接类似。通常采用左向焊法。平焊及环缝焊接时，焊枪、焊丝与工件之间的位置如图5－12和图5－13所示。喷嘴与工件之间的距离以10～15mm为宜。这样既便于观察熔池，又能使焊接区获得良好的保护。

图5－12　手工钨极氩弧焊平焊操作示意图

图5－13　手工钨极氩弧焊环缝操作示意图

紫铜的手工钨极氩弧焊焊前经常采取预热措施，预热可以保证根部熔合可靠和焊透，并能提高焊接速度，减少氩气的消耗量。当板厚小于3mm时，预热温度一般为150～300℃;板厚超过3mm时，预热温度为350～500℃。预热温度不宜过高，否则会降低焊接接头的力学性能。

引弧时，电弧最好先在石墨板或不锈钢板上引燃，待电弧稳定燃烧后再移到焊接处。保持恒定的电弧长度，焊枪应均匀、平稳地向前做直线运动。当不需要填加焊丝时，弧长以1～2mm为宜，填加焊丝时，弧长为2～5mm。

母材达到一定的熔深后再填加焊丝。填加焊丝要配合焊枪的运行动作，在焊接坡口处尚未达到熔化温度时，焊丝处于熔池前端的氩气保护区内，当熔池加热到一定温度后，从熔池边缘送入焊丝。当熔池中混入杂质时，应停止填加焊丝，并将电弧适当拉长，用焊丝挑去熔池表面的杂质。紫铜焊接时要注意焊丝不要与钨极接触，否则会使焊缝受到污染。开始焊接时的速度要尽量慢些，使母材得到充分的预热。

对于厚度较大的工件，最好使工件直立，然后由两名焊工从两侧对接头的同一部位进行焊接，如图5－14所示。也可以使工件倾斜45°，其中一个焊工专门预热，另一个焊工进行焊接操作，如图5－15所示。

图5－14　直立两侧焊接

图5－15　倾斜半垂直焊

6．紫铜的埋弧焊

(1)焊接材料。

紫铜埋弧焊所用的焊丝为HS201，一般碳钢埋弧焊用的焊剂也适用于紫铜的焊接，常用的焊剂有HJ431、HJ260、HJ250、HJ360等。HJ260和普通的纯铜焊丝配合使用时，焊缝金属的伸长率可达38%～45%，其接头的导电性能也较高。

(2)焊接工艺。

紫铜埋弧焊时可不预热，有时为了保证焊接质量，对厚度大于12mm的焊件可采取局部预热措施，预热温度一般要比其他焊接方法低100～200℃。过高的预热温度容易引起热影响区晶粒长大的倾向，产生剧烈的氧化，形成气孔、夹渣等缺陷，降低接头的力学性能。

埋弧焊时一般不采用纯铜垫板，通常采用焊剂垫。焊剂垫由碳钢槽作支承，槽内填满焊剂。借助焊剂隔热绝缘焊件底部空气对焊缝发生氧化作用，同时焊剂还具有一定的冶金作用，因此，焊接过程稳定，焊缝背面成形美观。

紫铜的热导率高，热容量大，埋弧焊时宜选用大电流、高电压的焊接工艺参数，以改善焊缝的冷却条件，从而获得优良的焊接接头。表5－63为紫铜埋弧焊的参考工艺参数。在实际焊接中，工艺参数还应根据焊件的结构、预热温度、垫板情况等加以调整。埋弧焊的电压一般在34～42V之间，此时焊缝成形宽而浅，有利于焊缝中气体和杂质的排除。当焊接电压过高时，较多的电弧热量消耗在焊剂上，而熔化母材的热量相应减少，焊缝成形狭窄，容易产生气孔。

表5－63　紫铜埋弧焊工艺参数

续表

紫铜埋弧焊一般采用直流反接，焊丝与工件表面垂直或向前倾斜8°～10°，这样可以增加熔透深度。工件放在水平位置后倾斜5°～10°，当工件在倾斜位置时，要采用上坡焊法，有利于坡口根部的熔透。

采用交流焊接电源焊接紫铜时选择陶质焊剂，其电弧稳定性要比焊剂431好。对于厚度小于16mm的紫铜板，可以采用不预热的单面焊双面成形工艺，其反面成形用的衬垫多采用无碱玻璃纤维棉。当板厚大于12mm时，一般可开V形坡口，不大于10mm时，一般开I形坡口。

7．紫铜的熔化极氩弧焊

紫铜的熔化极氩弧焊的电流密度较大，电弧穿透力强，焊接速度快，工件变形小，焊缝成形美观。同样厚度的工件，焊接电流比TIG焊大30%，焊接速度提高一倍。随着焊接电流的增加，熔深增大。当焊接电流为550A时，熔深可达6mm。同时，氩气流量要比手工钨极氩弧焊时高很多。紫铜的熔化极氩弧焊工艺参数见表5－64。

表5－64　紫铜的熔化极氩弧焊工艺参数

8．紫铜的等离子弧焊

等离子弧焊具有比TIG和MIG电弧更高的能量密度和温度，很适合于焊接高导热率的铜及铜合金。6～8mm厚的铜件可以不预热不开坡口一次焊成，且接头质量能达到基材水平。紫铜的等离子弧焊一般采用直流正接法转移弧，既有利于增强工件受热，又可使电弧稳定。通常采用非穿透法而不用小孔法，因为小孔法容易使紫铜焊缝烧穿。

等离子弧焊的工艺参数很多，其中，作为调节等离子弧能量和电弧稳定性的主要参数是焊接电流和离子气的成分及流量。电流增大、离子气流量增加都会增强对等离子弧的压缩效果，穿透力加大，电弧稳定性好，从而提高生产率。有时为了获得更高的能量，可以在单一氩气作离子气的基础上掺入5%的氢气或30%的氦气。推荐的大功率等离子弧焊接工艺参数见表5－65。

表5－65　紫铜的等离子弧焊接规范