铜及铜合金的焊接工艺
紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊
作者：苏在静 李福刚 时间：2002-06-28 21:45:57
鞍山热能研究院设备研制厂（114044）
摘 要 通过紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊的生产实践，对铜钢焊接易产生裂纹、未熔合和气孔等缺陷进行了试验分析，并采用了合理的焊接工艺，提高了焊接接头的力学性能，保证了工件质量。 关键词：紫铜 低碳钢 熔化极氩弧焊
0 前 言
紫铜具有优良的导电和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件的关键部位采用紫铜，而其他部位则采用成本低廉的低碳钢材料。这种结构多数采用焊接方式，紫铜与低碳钢的焊接质量相对整体结构来说也变得尤为重要。 在众多焊接方法中，熔化极氢弧焊以其电弧热量集中、高效、焊接质量好等优点，而被广泛采用。
1 紫铜与低碳钢的焊接性分析
1.1 难熔合及易变形
由表1看出，铜与钢的导热系数、线胀系数和收缩率差异较大，这对保证铜与钢的焊接质量非常不利。
铜的导热系数大，20℃时铜的导热系数比铁大7倍多，1000℃时大11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。 铁与铜在液态下完全不互溶，只能呈机械混合状态，这是焊接的最大难点，只有“机械式”互相结合，而无冶金结合。
铜的线胀系数和收缩率也比较大。铜的线胀系数比铁大15％，而收缩率比铁大一倍以上。焊接时如工件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻会产生很大的焊接应力。
1.2 易产生裂纹
在铜与钢焊接时，在焊缝金属晶粒间存在低熔点共晶，如（CU ＋CU2O ）共晶体（共晶温度为1065℃，低于铜的熔点）等。在结晶后期，这些共晶体以液态形式分布在固态α铜的晶粒边界，割断了固体晶粒间的联系，使晶粒间结合力受到削弱，使焊缝金属的塑性显著下降，再加上铜和钢的线胀系数和收缩率差异较大，在焊缝冷却凝固过程中将产生较大的焊接应力。因此，当铜钢焊缝强度、塑性显著下降，并且焊件中存在内应力时，就在接头的脆弱部位形成热裂纹。
1.3 气 孔
铜与钢焊接时，焊缝中常会出现气孔。
基于对铜钢焊接性的分析，制定合理的焊接工艺是保证铜钢焊接质量的前提，严格遵守操作规程才能使铜钢焊接接头质量得以保
证。 2 紫铜与低碳钢的悍接工艺要点（以环缝焊接为例）
2.1 焊接材料的选择
铜钢熔化极氩弧焊常用焊丝牌号为HS201，焊接接头可获得满意的力学性能。
2.2 坡口形式的选择
总结多年生产经验，铜钢焊接坡口形式有以下5种形式可供选择（图1）。
曾对以上5种坡口形式进行对比实验，图1d 应是首选的坡口形式。
2.3 坡口清理
用机械法或化学法去除坡口表面及两侧（约30mm 以内）的油污、水分、氧化物及其它夹杂物，使其露出金属光泽。尤其是钢侧锈蚀必须清理于净，以杜绝由于锈蚀造成的未熔合缺陷的产生。
2.4 工件预热 铜钢焊接前必须对紫铜件进行预热。由于紫铜工件越大，散热越快。因此，预热温度应遵循随工件越大，预热温度越高的原则，一般的预热温度以600－700℃为宜。
2.5 焊 接
由于铜导热性好，为防止焊缝出现缺陷，应采用大热输
入焊接。紫铜与低碳钢熔化极氩弧焊的焊接参数见表2。
传统的铜钢焊接工艺要求焊丝必须偏向铜一侧，以保证铜母材有足够的热量输人，使之熔化。这种操作技术很难掌握，焊丝偏离焊缝中心线距离过大，不能保证钢母材金属充分熔化，极易产生未熔合缺陷，合适的距离与紫铜工件的大小和壁厚有关，不是固定的数值。根据多年的生产经验和熔化极氩弧焊热量集中的特点，在足够的预热温度下，焊丝对准坡口中心，即可保证铜侧和钢侧母材充分熔化，从而减少钢侧未熔合缺陷的产生，也有利于焊缝的成形。
另外，施焊位置也至关重要。一般打底焊施焊位置以时钟12点至12点30 分外为宜。 施焊位置靠前，熔池金属易流淌，且不利于焊缝成形，也不利于下层焊道的施焊；施焊位置靠后，熔化的填充金属流淌到未熔化的根部坡口上，电弧始终吹在熔化的填充金属上，在电弧温度不足以使根部母材熔化时，即形成根部未焊透及根部未熔合。
盖面焊时，根据工件的回转半径，施焊位置可适当向后移。
再者，适当的焊接速度对保证铜钢焊缝质量也是至关重要的。过快、过慢均易产生未熔合缺陷，合适的焊接速度要根据送丝速度和工件预热温度来确定。
2.6 焊后保温
工件焊后，应保温缓冷。这样，可扩大焊接区温度场，减弱焊接应力，防止裂纹产生。 3 焊接检验
3.1 拉伸试验
严格执行上述工艺，即可得到满意的紫铜和碳钢焊接接头。按国家标准GB264－89截取试块制成力学性能试件，并进行拉伸试验，结果，每个试件的σb 均大于230 MPa 。可见，铜钢焊接接头抗拉强度高于紫铜（σb ＝196－235.2 MPa ）。
3.2 金相检验
经金相检验，焊缝内部组织均匀；紫铜和紫铜熔合区过渡均匀，结合良好；紫铜与碳钢熔合线平直，无孔洞，且Cu 和Fe 相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。
4 结 论
（1）通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能，证明焊接工艺及其参数是合理的；
（2）紫铜与低碳钢的物理性能和化学成分差异很大，铜钢焊缝易产生很多缺陷，如裂纹、未熔合、气孔等，但只要执行合理的焊接工艺，熟练掌握焊接操作技术，仍能获得满意的铜钢焊接接头。
紫铜和紫铜的钨极氩弧焊接
2007年06月13日 星期三 17:42
紫铜母排焊接存在的问题及解决措施
北京电器有限公司 杨效民
摘要：由于紫铜母排在焊接过程中，容易出现裂纹、气孔、变形、焊瘤、未焊透等缺陷，这
些缺陷给产品质量造成严重影响。为了使母排在焊接上有一个高的质量保证，经过多次反复
分析、研究，采用了钨极氩弧焊接技术，从钨极氩弧焊的焊接特点分析和紫铜材料的焊接特
性，找出了适合紫铜焊接的工艺参数，以这些参数为标准对产品进行焊接，产品的质量有了
改善、提高，经济效益明显增加。钨极氩弧焊，对紫铜母排的焊接确实是一种提高质量的保
证，是一种极好的焊接方法，氩弧焊接也存在着焊接成本高、氩气昂贵、设备复杂、生产效
率低等不足。
关键词：紫铜焊接 氩弧焊接
引言
在长期的母线生产过程中，铜母排的焊接质量一直是困扰生产厂家的一个问题。本文从母排
焊接的各个生产环节，根据铜母排焊接的特点，容易出现的问题，找出了保证母排焊接质量
的多种方法。实践证明，行知有效，提高了生产率，保证了焊接质量，使企业的生产效率稳
步提高。
本文介绍了钨极氩弧焊对紫铜母排焊接的特点、焊接材料、焊接工艺参数的选择，保证焊接
质量所采取的措施和方法。
1 铜母排的焊接特点
1．1 容易产生裂纹
这是由材料本身的物理和化学特性决定的, 紫铜的焊接收缩率较大, 焊接加热区较宽, 故焊接
接头承受较大的收缩拉应力, 造成焊后变形大，铜中的杂质氧、磷、铅、硫等杂质都会给焊
接带来困难。铜在液态时极易与这些杂质形成低熔共晶物，在熔池金属凝固后期或在热影响
区，这些低熔点共晶物以液膜形式分布在铜的晶粒边界，显著的降低了铜的高温强度和塑性，
由于焊缝被杂质污染和合金化及焊缝的不致密性，将导致铜接头的物理特性下降。所以必须
控制有害杂质的含量，必须选用脱氧铜，焊前彻底清理母材和焊材的污物及潮气，减少氧的
来源。另外，要对熔池进行脱氧处理，在焊接时加硼砂或硼酸，它们能脱氧，溶解氧化铜与
之生成复杂的化合物，变成熔渣而除去。
1．2 容易产生未熔合和未焊透
铜母排焊接时导热性均是钢的8倍，热容量大，所以难以溶化，母材和焊材熔合困难。因此，
必须采取能量集中的强热源，而且要对母排进行预热，才能避免未溶合和未焊透。
1．3 容易产生气孔
焊接时，铜母排产生气孔主要是氢气孔。铜在液态时能溶解大量的氢，而且在凝固时氢的溶解度急剧减小，铜的导热性强，熔池凝固特别快，大量的氢气来不及逸出，就在焊缝中形成氢气孔。另外，熔池金属氧化生成的氧化亚铜被氢气或一氧化碳还原而生成水蒸汽或二氧化碳，也会生成气孔。
化学方程式 Cu2 O+H2→2Cu+H2O 或 Cu2 O+CO→2Cu+CO2， 防止气孔的主要途径是预防氢的溶解和铜的氧化, 减少氢、氧的来源和降低熔池的冷却速度是极其重要的。
1．4 接头的物理、化学特性
铜焊头的特性如力学性能、导电性能、耐蚀性能均低于母材，尤其是塑性和韧性。这是因为铜在焊接时，容易产生过热和晶粒变粗大，在晶界有脆性共晶体存在，合金元素烧损，焊缝被杂质污染并存在焊接缺陷。
1．5 铜焊接存在的焊接缺陷
铜母排的焊接焊口, 除了容易产生裂纹, 未熔合、未焊透、产生气孔外，还容易产生其余缺陷，如表面焊缝尺寸不符合要求，咬边、表面夹渣、焊瘤、弧坑等。
2 钨极氩弧焊、母线铜排焊接的高质量保证
为了使铜排在焊接上有一个高的质量，经过生产实践，证明钨极氩弧焊接是一种极好的焊接方法。下面从钨极氩弧焊接的工艺特点、不足，及在铜母排的焊接上的应用等方面加以论述。
2．1氩弧焊的工艺特点
2．1．1 焊接过程稳定, 电弧能量参数可精确控制
氩气是单原子分子，稳定性好，在高温下不分解，不吸热，热导率很小，所以，在焊接时，电弧的热量损失小，电弧一旦引燃就能够稳定燃烧。另一方面，钨极本身不会产生熔滴过渡，弧长变化干扰因素相对减少，也有助于电弧的稳定燃烧。
2．1．2 焊接质量好
氩气是一种惰性气体，它既不溶于液态金属，又不与金属起任何化学反应，而氩气的相对原子质量较大，有利于形成良好的气流隔离层，有效的阻止氧、氦等侵入焊缝金属，氩弧焊接是明弧焊接，焊接过程参数稳定，易于检测及控制，是理想的焊接方法。
2．1．3 焊接区无熔渣
焊接过程中, 可清楚的看清熔池和焊缝成形过程。
3 钨极氩弧焊接的不足
3．1 抗风能力差
钨极氩弧焊是利用氩气为保护气进行焊接, 抗测向风的能力较差, 当侧向风较小时，可降低喷嘴至工件的距离，同时加大保护气体的流量，侧风较大时，必须采取防风措施。
3．2 对工件清理要求较高
由于采用氩气进行焊接保护, 无脱氧和去氢作用, 为了避免气孔, 裂纹等缺陷, 焊接前必须严格去除, 清洗铜母排焊口处的油渍、污物。
3．3 生产率低
由于钨极的载流能力有限，致使钨极氩弧焊的熔透能力较低，焊接速度小，焊接生产品率低。 4 钨极氩弧焊在铜母排焊接上的应用
用钨极氩弧焊焊接铜母排可以获得高质量的焊缝，这是因为氩气对熔池的保护效果好，焊缝成形美观，氩弧的温度高，热量集中，因而焊接热影响区窄，焊件变形小。
4．1 焊前的准备工作
a 坡口的制备：根据铜母材的厚度，制备不同的坡口，母排厚度为6mm,
坡口形式见表1
表1 铜母排焊接接头坡口形状及尺寸
坡口形式 示意图 板厚δ/mm 间隙b/mm 钝边 p/mm 坡口角度α/( ° )
V 形坡口 6 0~1 1~2 90 °
b 焊前清理：氩气是惰性气体，焊接过程不与液态金属发生任何反应，因此氩弧焊无去氢、脱氧作用，为了保证焊接质量，焊前应该仔细清除焊丝及焊件坡口两侧的氧化膜，潮气和油污等污物，清理方法分为机械法和化学法。机械法是用电动纲丝刷或砂布等机械方法去除污物，直至露出金属光泽。
化学法是将铜母排，焊丝置于30~40 ℃，10%氢氧化钠溶液中除油，然后用清水冲洗干净，再置于35~40%硝酸或者10~15%硫酸溶液中浸蚀2~3min，再冲清水冲刷干净并烘干。
c 衬垫的制备：熔池中的铜液流动性很好，为了防止铜液从坡口背面流出，保证根部背面成形，因而需用衬垫，钢垫和紫铜垫均可，并且为了保证焊缝背面成形，衬垫上要开设成形槽，要用夹具将工件与衬垫夹紧。
为了防止铜母排在焊接受热变形，要用夹具将工件夹紧。
d 焊前预热：由于铜的导热性很强，焊前工件常需预热，预热可保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，并能够提高焊接速度，降低焊接冷却速度，改善结晶条件，保证焊缝质量。铜母排厚度为6mm ，预热温度350~400℃,预热温度不宜过高, 预热过高容易使热影响区扩大, 在高温下停留时间过长, 造成过度氧化和晶粒严重长大, 降低焊缝的物理、化学特性。加热方法为气体火焰加热和加热炉加热，为了使焊件在焊接过程中能保持给定的预热温度，可进行辅助加热，以补偿热量的散失。
e 焊丝选择：钨极氩弧焊在母排焊接时，需要对V 形坡口添加必要的金属，主要作用是填满坡口，并调整焊缝成分，改善焊缝性能，选择焊丝时，按照“等成分匹配”原则，根据GB/T3669-2001《铜及铜合金焊丝》选择合适的焊丝。
5 钨极氩弧焊焊接铜母排工艺参数的选择
钨极氩弧焊的工艺参数主要有电流的种类及极性、焊接电流、焊接速度、钨极直径及形状、保护气体流量等。
5．1 电流和极性的选择
不同的电流种类及极性具有不同的工艺特点，适用于不同材料的焊接。因此，要根据工件的材料选择电流种类和极性焊接紫铜母排，采用直流正接法，即正极接工件、负极接钨极。采用直流正接时，电子从钨极向焊件高速冲击，产生大量的热，因此熔池深而窄，生产率高，工件变形小，而钨极本身产生的热量较小，不易过热。焊接电流的大小决定熔深。因此，在选定了电流的种类及极性后，还要根据铜排厚度选择电流的大小。
5．2 焊接速度
焊接紫铜母排采用左焊法，焊接速度影响焊接线能量，焊接线能量是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，其计算公式为：
q = IU/υ
式中：I —焊接电流 A
U —电弧电压 V
υ—焊接速度 cm/s
q —线能量 J/cm
焊接速度也影响熔深及熔宽。通常根据紫铜母排厚度来选择焊接速度，而且为了保证良好的焊缝成形，焊接速度应与焊接电流、预热温度及保护气的流量适当匹配，焊接速度太快时，容易出现未焊透，咬边等缺陷，而焊接速度太慢时，会出现焊缝太宽，烧穿等缺陷。现以焊接6mm 铜母线为例，步骤是：引弧后，焊炬应平稳的向前作直线运动，保持恒定的电弧长度，
不加丝时，弧长1~2mm，加丝时，弧长2~5mm，焊炬移动时，可作间断的停留，待母材达到一定熔深后，再加焊丝，向前移动，添加焊丝时，要配合焊炬的运行动作，在焊接坡口处尚未达到溶化温度时，焊丝处于熔池前的氩气保护区内，熔池加热到一定温度后，从熔池边缘送入焊丝，如发现熔池中，混入较多杂质时，应停止加焊丝，并将焊丝适当加长，用焊丝挑去熔池表面杂质，熔池不清时，不添加焊丝。
铜母排焊接时，要严格控制钨极与焊丝或与熔池接触，如果相接触，会产生大量的金属烟尘，烟尘落入熔池，焊道上会产生大量的蜂窝状气孔和裂纹，如果出现钨极接触焊丝和熔池，应停止焊接，更换钨极或将钨极尖端重新修磨，达到无铜金属为止，受烟尘污染的焊缝金属要清除干净。
开始焊接时，焊接速度适当放慢，待铜排母材得到一定的预热，以保证焊透和获得均匀一致的焊缝成形，然后再提高焊速，为防止焊缝始端产生裂纹，在开始焊20~30mm后稍停，使焊缝稍冷却再继续焊接。或者把焊缝的起始部分留出一小段不焊，先焊其余部分，最后以相反方向焊接起始部分，6mm
铜母排，分为多层焊接，为2~3层，打底焊道要保证熔合良好，并要有一定厚度，以防止焊缝产生气孔和裂纹缺陷，以后各层要以窄焊道施焊，焊炬工作横向摆动，以使焊缝金属获得良好的保护，层间温度应不低于预热温度，焊下一层前，要以钢丝刷清理焊缝表面氧化物。
5．3 钨极直径及端部形状
钨极直径及形状是重要的钨极氩弧焊参数之一，通常根据电流种类、极性和大小来选择，钨极的选用原则是保证钨极许用电流大于所用焊接电流的前提下，尽量选用直径较小的钨极。 钨极的许用电流决定于钨极直径，电流的种类及极性，钨极直径越大，其许用电流越大，直流正接时，钨极载流能力最大。
钨极的端部形状对焊接过程稳定性及焊缝成形有重要影响，通常根据电流的种类、极性及大小来选择。
5．4 喷嘴孔径及氩气流量
氩弧焊的喷嘴孔径越大，保护区越大，但是太大时，熔池及电弧的可观察性变差，对于一定的喷嘴的孔径，保护气流量有一个合适的范围，氩气流量太小时，气体保护效果不好，流量太大时，气流层中出现紊流，空气易被卷入，保护效果不好，所以，喷嘴直径及氩气流量，通常根据电流的种类和大小，极性来选择。
5．5 钨极的伸出长度
通常将露在喷嘴外面的钨极长度，称为钨极的伸出长度，伸出长度太大时，钨极易过热，且保护效果差，而伸出长度太小时，喷嘴易过热，钨极的伸出长度一般保持在5~6mm。
5．6 喷嘴离工件的距离
喷嘴离工件的距离要与钨极伸出长度相匹配，一般控制在8~14mm之间，距离过小影响视线，且导致钨极与熔池接触，使焊缝夹钨并降低钨极寿命，距离过大时，保护效果差，电弧不稳定。
综上所述，氩弧焊焊接紫铜母排的工艺参数的选择是至关重要的，它直接影响到焊接质量，经过实践证实，焊接6mm 厚铜排采用以下工艺参数，见表2：
表2 紫铜氩弧焊工艺参数
厚度/mm 坡口形式 钨径/mm 焊丝径/mm 喷嘴径/mm 氩气流量/L·min-1 焊接电流/A 6 V形 4~5 4 10 10~14 300~350
厚度/mm 预热温度 /℃ 间隙和角度 焊速/cm·min-1 钨极锥角 1（°） 钨极平顶直径 /mm 焊层数
6 350~400 1、90° 18~25 60 1.5 2~3
结论：
生产实践证明，钨极氩弧焊接紫铜母排，保护效果好，焊缝质量高，保护气流稳定，能有效的隔绝周围空气，不溶于金属又不和金属发生反应，焊接时熔池稳定，飞溅很少，金属元素烧损很少，不易产生气孔，氩弧焊热量集中，温度高，焊速快，相应的铜母排受热程度低，热影响区窄，焊件变形小，电弧稳定。
氩弧焊焊接紫铜母排时，无熔渣、无飞溅，熔池和电弧的可见解性好，操作方便，也是单面焊和双面焊成形的好方法。明弧操作，熔池的尺寸容易控制，出现未焊透和烧穿的机会少，焊接时没有复杂的冶金过程，容易焊出优质的焊缝，不足之处是生产率低，钨极承载电流的能力受限制，过大电流会使钨极熔化和蒸发，会造成焊缝夹钨，焊前对焊件的清理要求高。 氩弧焊接成本高，氩气昂贵，设备复杂，是生产率低的主要原因。
铜及铜合金的焊接工艺
紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊
作者：苏在静 李福刚 时间：2002-06-28 21:45:57
鞍山热能研究院设备研制厂（114044）
摘 要 通过紫铜与低碳钢的熔化极氩弧焊的生产实践，对铜钢焊接易产生裂纹、未熔合和气孔等缺陷进行了试验分析，并采用了合理的焊接工艺，提高了焊接接头的力学性能，保证了工件质量。 关键词：紫铜 低碳钢 熔化极氩弧焊
0 前 言
紫铜具有优良的导电和导热性能，因而在很多领域都得到了广泛的应用。为了节约有色金属铜，降低成本，常常在结构件的关键部位采用紫铜，而其他部位则采用成本低廉的低碳钢材料。这种结构多数采用焊接方式，紫铜与低碳钢的焊接质量相对整体结构来说也变得尤为重要。 在众多焊接方法中，熔化极氢弧焊以其电弧热量集中、高效、焊接质量好等优点，而被广泛采用。
1 紫铜与低碳钢的焊接性分析
1.1 难熔合及易变形
由表1看出，铜与钢的导热系数、线胀系数和收缩率差异较大，这对保证铜与钢的焊接质量非常不利。
铜的导热系数大，20℃时铜的导热系数比铁大7倍多，1000℃时大11倍多。焊接时热量迅速从加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合。 铁与铜在液态下完全不互溶，只能呈机械混合状态，这是焊接的最大难点，只有“机械式”互相结合，而无冶金结合。
铜的线胀系数和收缩率也比较大。铜的线胀系数比铁大15％，而收缩率比铁大一倍以上。焊接时如工件刚度不大，又无防止变形的措施，必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻会产生很大的焊接应力。
1.2 易产生裂纹
在铜与钢焊接时，在焊缝金属晶粒间存在低熔点共晶，如（CU ＋CU2O ）共晶体（共晶温度为1065℃，低于铜的熔点）等。在结晶后期，这些共晶体以液态形式分布在固态α铜的晶粒边界，割断了固体晶粒间的联系，使晶粒间结合力受到削弱，使焊缝金属的塑性显著下降，再加上铜和钢的线胀系数和收缩率差异较大，在焊缝冷却凝固过程中将产生较大的焊接应力。因此，当铜钢焊缝强度、塑性显著下降，并且焊件中存在内应力时，就在接头的脆弱部位形成热裂纹。
1.3 气 孔
铜与钢焊接时，焊缝中常会出现气孔。
基于对铜钢焊接性的分析，制定合理的焊接工艺是保证铜钢焊接质量的前提，严格遵守操作规程才能使铜钢焊接接头质量得以保
证。 2 紫铜与低碳钢的悍接工艺要点（以环缝焊接为例）
2.1 焊接材料的选择
铜钢熔化极氩弧焊常用焊丝牌号为HS201，焊接接头可获得满意的力学性能。
2.2 坡口形式的选择
总结多年生产经验，铜钢焊接坡口形式有以下5种形式可供选择（图1）。
曾对以上5种坡口形式进行对比实验，图1d 应是首选的坡口形式。
2.3 坡口清理
用机械法或化学法去除坡口表面及两侧（约30mm 以内）的油污、水分、氧化物及其它夹杂物，使其露出金属光泽。尤其是钢侧锈蚀必须清理于净，以杜绝由于锈蚀造成的未熔合缺陷的产生。
2.4 工件预热 铜钢焊接前必须对紫铜件进行预热。由于紫铜工件越大，散热越快。因此，预热温度应遵循随工件越大，预热温度越高的原则，一般的预热温度以600－700℃为宜。
2.5 焊 接
由于铜导热性好，为防止焊缝出现缺陷，应采用大热输
入焊接。紫铜与低碳钢熔化极氩弧焊的焊接参数见表2。
传统的铜钢焊接工艺要求焊丝必须偏向铜一侧，以保证铜母材有足够的热量输人，使之熔化。这种操作技术很难掌握，焊丝偏离焊缝中心线距离过大，不能保证钢母材金属充分熔化，极易产生未熔合缺陷，合适的距离与紫铜工件的大小和壁厚有关，不是固定的数值。根据多年的生产经验和熔化极氩弧焊热量集中的特点，在足够的预热温度下，焊丝对准坡口中心，即可保证铜侧和钢侧母材充分熔化，从而减少钢侧未熔合缺陷的产生，也有利于焊缝的成形。
另外，施焊位置也至关重要。一般打底焊施焊位置以时钟12点至12点30 分外为宜。 施焊位置靠前，熔池金属易流淌，且不利于焊缝成形，也不利于下层焊道的施焊；施焊位置靠后，熔化的填充金属流淌到未熔化的根部坡口上，电弧始终吹在熔化的填充金属上，在电弧温度不足以使根部母材熔化时，即形成根部未焊透及根部未熔合。
盖面焊时，根据工件的回转半径，施焊位置可适当向后移。
再者，适当的焊接速度对保证铜钢焊缝质量也是至关重要的。过快、过慢均易产生未熔合缺陷，合适的焊接速度要根据送丝速度和工件预热温度来确定。
2.6 焊后保温
工件焊后，应保温缓冷。这样，可扩大焊接区温度场，减弱焊接应力，防止裂纹产生。 3 焊接检验
3.1 拉伸试验
严格执行上述工艺，即可得到满意的紫铜和碳钢焊接接头。按国家标准GB264－89截取试块制成力学性能试件，并进行拉伸试验，结果，每个试件的σb 均大于230 MPa 。可见，铜钢焊接接头抗拉强度高于紫铜（σb ＝196－235.2 MPa ）。
3.2 金相检验
经金相检验，焊缝内部组织均匀；紫铜和紫铜熔合区过渡均匀，结合良好；紫铜与碳钢熔合线平直，无孔洞，且Cu 和Fe 相互之间有一定程度扩散，熔合区为冶金结合。
4 结 论
（1）通过焊接检验可知，焊缝具有良好的性能，证明焊接工艺及其参数是合理的；
（2）紫铜与低碳钢的物理性能和化学成分差异很大，铜钢焊缝易产生很多缺陷，如裂纹、未熔合、气孔等，但只要执行合理的焊接工艺，熟练掌握焊接操作技术，仍能获得满意的铜钢焊接接头。
紫铜和紫铜的钨极氩弧焊接
2007年06月13日 星期三 17:42
紫铜母排焊接存在的问题及解决措施
北京电器有限公司 杨效民
摘要：由于紫铜母排在焊接过程中，容易出现裂纹、气孔、变形、焊瘤、未焊透等缺陷，这
些缺陷给产品质量造成严重影响。为了使母排在焊接上有一个高的质量保证，经过多次反复
分析、研究，采用了钨极氩弧焊接技术，从钨极氩弧焊的焊接特点分析和紫铜材料的焊接特
性，找出了适合紫铜焊接的工艺参数，以这些参数为标准对产品进行焊接，产品的质量有了
改善、提高，经济效益明显增加。钨极氩弧焊，对紫铜母排的焊接确实是一种提高质量的保
证，是一种极好的焊接方法，氩弧焊接也存在着焊接成本高、氩气昂贵、设备复杂、生产效
率低等不足。
关键词：紫铜焊接 氩弧焊接
引言
在长期的母线生产过程中，铜母排的焊接质量一直是困扰生产厂家的一个问题。本文从母排
焊接的各个生产环节，根据铜母排焊接的特点，容易出现的问题，找出了保证母排焊接质量
的多种方法。实践证明，行知有效，提高了生产率，保证了焊接质量，使企业的生产效率稳
步提高。
本文介绍了钨极氩弧焊对紫铜母排焊接的特点、焊接材料、焊接工艺参数的选择，保证焊接
质量所采取的措施和方法。
1 铜母排的焊接特点
1．1 容易产生裂纹
这是由材料本身的物理和化学特性决定的, 紫铜的焊接收缩率较大, 焊接加热区较宽, 故焊接
接头承受较大的收缩拉应力, 造成焊后变形大，铜中的杂质氧、磷、铅、硫等杂质都会给焊
接带来困难。铜在液态时极易与这些杂质形成低熔共晶物，在熔池金属凝固后期或在热影响
区，这些低熔点共晶物以液膜形式分布在铜的晶粒边界，显著的降低了铜的高温强度和塑性，
由于焊缝被杂质污染和合金化及焊缝的不致密性，将导致铜接头的物理特性下降。所以必须
控制有害杂质的含量，必须选用脱氧铜，焊前彻底清理母材和焊材的污物及潮气，减少氧的
来源。另外，要对熔池进行脱氧处理，在焊接时加硼砂或硼酸，它们能脱氧，溶解氧化铜与
之生成复杂的化合物，变成熔渣而除去。
1．2 容易产生未熔合和未焊透
铜母排焊接时导热性均是钢的8倍，热容量大，所以难以溶化，母材和焊材熔合困难。因此，
必须采取能量集中的强热源，而且要对母排进行预热，才能避免未溶合和未焊透。
1．3 容易产生气孔
焊接时，铜母排产生气孔主要是氢气孔。铜在液态时能溶解大量的氢，而且在凝固时氢的溶解度急剧减小，铜的导热性强，熔池凝固特别快，大量的氢气来不及逸出，就在焊缝中形成氢气孔。另外，熔池金属氧化生成的氧化亚铜被氢气或一氧化碳还原而生成水蒸汽或二氧化碳，也会生成气孔。
化学方程式 Cu2 O+H2→2Cu+H2O 或 Cu2 O+CO→2Cu+CO2， 防止气孔的主要途径是预防氢的溶解和铜的氧化, 减少氢、氧的来源和降低熔池的冷却速度是极其重要的。
1．4 接头的物理、化学特性
铜焊头的特性如力学性能、导电性能、耐蚀性能均低于母材，尤其是塑性和韧性。这是因为铜在焊接时，容易产生过热和晶粒变粗大，在晶界有脆性共晶体存在，合金元素烧损，焊缝被杂质污染并存在焊接缺陷。
1．5 铜焊接存在的焊接缺陷
铜母排的焊接焊口, 除了容易产生裂纹, 未熔合、未焊透、产生气孔外，还容易产生其余缺陷，如表面焊缝尺寸不符合要求，咬边、表面夹渣、焊瘤、弧坑等。
2 钨极氩弧焊、母线铜排焊接的高质量保证
为了使铜排在焊接上有一个高的质量，经过生产实践，证明钨极氩弧焊接是一种极好的焊接方法。下面从钨极氩弧焊接的工艺特点、不足，及在铜母排的焊接上的应用等方面加以论述。
2．1氩弧焊的工艺特点
2．1．1 焊接过程稳定, 电弧能量参数可精确控制
氩气是单原子分子，稳定性好，在高温下不分解，不吸热，热导率很小，所以，在焊接时，电弧的热量损失小，电弧一旦引燃就能够稳定燃烧。另一方面，钨极本身不会产生熔滴过渡，弧长变化干扰因素相对减少，也有助于电弧的稳定燃烧。
2．1．2 焊接质量好
氩气是一种惰性气体，它既不溶于液态金属，又不与金属起任何化学反应，而氩气的相对原子质量较大，有利于形成良好的气流隔离层，有效的阻止氧、氦等侵入焊缝金属，氩弧焊接是明弧焊接，焊接过程参数稳定，易于检测及控制，是理想的焊接方法。
2．1．3 焊接区无熔渣
焊接过程中, 可清楚的看清熔池和焊缝成形过程。
3 钨极氩弧焊接的不足
3．1 抗风能力差
钨极氩弧焊是利用氩气为保护气进行焊接, 抗测向风的能力较差, 当侧向风较小时，可降低喷嘴至工件的距离，同时加大保护气体的流量，侧风较大时，必须采取防风措施。
3．2 对工件清理要求较高
由于采用氩气进行焊接保护, 无脱氧和去氢作用, 为了避免气孔, 裂纹等缺陷, 焊接前必须严格去除, 清洗铜母排焊口处的油渍、污物。
3．3 生产率低
由于钨极的载流能力有限，致使钨极氩弧焊的熔透能力较低，焊接速度小，焊接生产品率低。 4 钨极氩弧焊在铜母排焊接上的应用
用钨极氩弧焊焊接铜母排可以获得高质量的焊缝，这是因为氩气对熔池的保护效果好，焊缝成形美观，氩弧的温度高，热量集中，因而焊接热影响区窄，焊件变形小。
4．1 焊前的准备工作
a 坡口的制备：根据铜母材的厚度，制备不同的坡口，母排厚度为6mm,
坡口形式见表1
表1 铜母排焊接接头坡口形状及尺寸
坡口形式 示意图 板厚δ/mm 间隙b/mm 钝边 p/mm 坡口角度α/( ° )
V 形坡口 6 0~1 1~2 90 °
b 焊前清理：氩气是惰性气体，焊接过程不与液态金属发生任何反应，因此氩弧焊无去氢、脱氧作用，为了保证焊接质量，焊前应该仔细清除焊丝及焊件坡口两侧的氧化膜，潮气和油污等污物，清理方法分为机械法和化学法。机械法是用电动纲丝刷或砂布等机械方法去除污物，直至露出金属光泽。
化学法是将铜母排，焊丝置于30~40 ℃，10%氢氧化钠溶液中除油，然后用清水冲洗干净，再置于35~40%硝酸或者10~15%硫酸溶液中浸蚀2~3min，再冲清水冲刷干净并烘干。
c 衬垫的制备：熔池中的铜液流动性很好，为了防止铜液从坡口背面流出，保证根部背面成形，因而需用衬垫，钢垫和紫铜垫均可，并且为了保证焊缝背面成形，衬垫上要开设成形槽，要用夹具将工件与衬垫夹紧。
为了防止铜母排在焊接受热变形，要用夹具将工件夹紧。
d 焊前预热：由于铜的导热性很强，焊前工件常需预热，预热可保证焊缝根部可靠的熔合和焊透，并能够提高焊接速度，降低焊接冷却速度，改善结晶条件，保证焊缝质量。铜母排厚度为6mm ，预热温度350~400℃,预热温度不宜过高, 预热过高容易使热影响区扩大, 在高温下停留时间过长, 造成过度氧化和晶粒严重长大, 降低焊缝的物理、化学特性。加热方法为气体火焰加热和加热炉加热，为了使焊件在焊接过程中能保持给定的预热温度，可进行辅助加热，以补偿热量的散失。
e 焊丝选择：钨极氩弧焊在母排焊接时，需要对V 形坡口添加必要的金属，主要作用是填满坡口，并调整焊缝成分，改善焊缝性能，选择焊丝时，按照“等成分匹配”原则，根据GB/T3669-2001《铜及铜合金焊丝》选择合适的焊丝。
5 钨极氩弧焊焊接铜母排工艺参数的选择
钨极氩弧焊的工艺参数主要有电流的种类及极性、焊接电流、焊接速度、钨极直径及形状、保护气体流量等。
5．1 电流和极性的选择
不同的电流种类及极性具有不同的工艺特点，适用于不同材料的焊接。因此，要根据工件的材料选择电流种类和极性焊接紫铜母排，采用直流正接法，即正极接工件、负极接钨极。采用直流正接时，电子从钨极向焊件高速冲击，产生大量的热，因此熔池深而窄，生产率高，工件变形小，而钨极本身产生的热量较小，不易过热。焊接电流的大小决定熔深。因此，在选定了电流的种类及极性后，还要根据铜排厚度选择电流的大小。
5．2 焊接速度
焊接紫铜母排采用左焊法，焊接速度影响焊接线能量，焊接线能量是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，其计算公式为：
q = IU/υ
式中：I —焊接电流 A
U —电弧电压 V
υ—焊接速度 cm/s
q —线能量 J/cm
焊接速度也影响熔深及熔宽。通常根据紫铜母排厚度来选择焊接速度，而且为了保证良好的焊缝成形，焊接速度应与焊接电流、预热温度及保护气的流量适当匹配，焊接速度太快时，容易出现未焊透，咬边等缺陷，而焊接速度太慢时，会出现焊缝太宽，烧穿等缺陷。现以焊接6mm 铜母线为例，步骤是：引弧后，焊炬应平稳的向前作直线运动，保持恒定的电弧长度，
不加丝时，弧长1~2mm，加丝时，弧长2~5mm，焊炬移动时，可作间断的停留，待母材达到一定熔深后，再加焊丝，向前移动，添加焊丝时，要配合焊炬的运行动作，在焊接坡口处尚未达到溶化温度时，焊丝处于熔池前的氩气保护区内，熔池加热到一定温度后，从熔池边缘送入焊丝，如发现熔池中，混入较多杂质时，应停止加焊丝，并将焊丝适当加长，用焊丝挑去熔池表面杂质，熔池不清时，不添加焊丝。
铜母排焊接时，要严格控制钨极与焊丝或与熔池接触，如果相接触，会产生大量的金属烟尘，烟尘落入熔池，焊道上会产生大量的蜂窝状气孔和裂纹，如果出现钨极接触焊丝和熔池，应停止焊接，更换钨极或将钨极尖端重新修磨，达到无铜金属为止，受烟尘污染的焊缝金属要清除干净。
开始焊接时，焊接速度适当放慢，待铜排母材得到一定的预热，以保证焊透和获得均匀一致的焊缝成形，然后再提高焊速，为防止焊缝始端产生裂纹，在开始焊20~30mm后稍停，使焊缝稍冷却再继续焊接。或者把焊缝的起始部分留出一小段不焊，先焊其余部分，最后以相反方向焊接起始部分，6mm
铜母排，分为多层焊接，为2~3层，打底焊道要保证熔合良好，并要有一定厚度，以防止焊缝产生气孔和裂纹缺陷，以后各层要以窄焊道施焊，焊炬工作横向摆动，以使焊缝金属获得良好的保护，层间温度应不低于预热温度，焊下一层前，要以钢丝刷清理焊缝表面氧化物。
5．3 钨极直径及端部形状
钨极直径及形状是重要的钨极氩弧焊参数之一，通常根据电流种类、极性和大小来选择，钨极的选用原则是保证钨极许用电流大于所用焊接电流的前提下，尽量选用直径较小的钨极。 钨极的许用电流决定于钨极直径，电流的种类及极性，钨极直径越大，其许用电流越大，直流正接时，钨极载流能力最大。
钨极的端部形状对焊接过程稳定性及焊缝成形有重要影响，通常根据电流的种类、极性及大小来选择。
5．4 喷嘴孔径及氩气流量
氩弧焊的喷嘴孔径越大，保护区越大，但是太大时，熔池及电弧的可观察性变差，对于一定的喷嘴的孔径，保护气流量有一个合适的范围，氩气流量太小时，气体保护效果不好，流量太大时，气流层中出现紊流，空气易被卷入，保护效果不好，所以，喷嘴直径及氩气流量，通常根据电流的种类和大小，极性来选择。
5．5 钨极的伸出长度
通常将露在喷嘴外面的钨极长度，称为钨极的伸出长度，伸出长度太大时，钨极易过热，且保护效果差，而伸出长度太小时，喷嘴易过热，钨极的伸出长度一般保持在5~6mm。
5．6 喷嘴离工件的距离
喷嘴离工件的距离要与钨极伸出长度相匹配，一般控制在8~14mm之间，距离过小影响视线，且导致钨极与熔池接触，使焊缝夹钨并降低钨极寿命，距离过大时，保护效果差，电弧不稳定。
综上所述，氩弧焊焊接紫铜母排的工艺参数的选择是至关重要的，它直接影响到焊接质量，经过实践证实，焊接6mm 厚铜排采用以下工艺参数，见表2：
表2 紫铜氩弧焊工艺参数
厚度/mm 坡口形式 钨径/mm 焊丝径/mm 喷嘴径/mm 氩气流量/L·min-1 焊接电流/A 6 V形 4~5 4 10 10~14 300~350
厚度/mm 预热温度 /℃ 间隙和角度 焊速/cm·min-1 钨极锥角 1（°） 钨极平顶直径 /mm 焊层数
6 350~400 1、90° 18~25 60 1.5 2~3
结论：
生产实践证明，钨极氩弧焊接紫铜母排，保护效果好，焊缝质量高，保护气流稳定，能有效的隔绝周围空气，不溶于金属又不和金属发生反应，焊接时熔池稳定，飞溅很少，金属元素烧损很少，不易产生气孔，氩弧焊热量集中，温度高，焊速快，相应的铜母排受热程度低，热影响区窄，焊件变形小，电弧稳定。
氩弧焊焊接紫铜母排时，无熔渣、无飞溅，熔池和电弧的可见解性好，操作方便，也是单面焊和双面焊成形的好方法。明弧操作，熔池的尺寸容易控制，出现未焊透和烧穿的机会少，焊接时没有复杂的冶金过程，容易焊出优质的焊缝，不足之处是生产率低，钨极承载电流的能力受限制，过大电流会使钨极熔化和蒸发，会造成焊缝夹钨，焊前对焊件的清理要求高。 氩弧焊接成本高，氩气昂贵，设备复杂，是生产率低的主要原因。