u2O+ H2 2Cu+ H2O

所形成的H2O,以气体形态聚集于晶界,造成氢侵蚀裂纹。

最后是气孔,气孔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,在铜的凝固过程中,来不及逸出而形成气孔,同理由反应(2)生成的H2,也会形成氢气孔。防止气孔的措施主要是在焊接材料中加入一定量的脱氧剂,提高焊前预热温度,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铜合金

黄铜在焊接时的主要困难是铜合金中Zn的蒸发(Zn在906℃时蒸发),由于Zn的蒸发而容易产生多气孔的焊缝。在焊接锡青铜时,当温度升高, Sn极易蒸发或氧化成SnO2,在焊缝金属中很难除去,于是形成气孔和夹杂物,因此在焊接时应加入一定量的脱氧剂。铝青铜焊接时, Al和O2反应生成难熔的Al2O3,为了清除Al2O3,可采用铝合金焊接时的还原剂。Ni是白铜的主要成分, Ni的熔点为1 450℃ ,沸点3 075℃ ,并具有加热到700～ 800℃时仍不氧化的性能,因此,在焊接

白铜的过程中,主要应防止Cu的蒸发和防止O2、S、C的破坏作用。

铜合金的焊接,最主要的问题是裂纹。与铜一样,由于杂质在晶界析出,铜合金也十分容易形成裂纹。在铝青铜中,由于含Al量比较低,所以形成了T单相的焊缝组织,裂纹敏感性比较高,特别是多层焊时,前一层易出现裂纹。如果提高Al的含量,就会形成T+U的双相组织,可以抑制裂纹的出现,但是Al的含量过高,会在U相中析出V2硬质相,又会使裂纹敏感性增大,所以, Al的含量以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单相固溶体,由于受杂质元素的影响,固、液相区间扩大,晶界析出低熔点共晶物,在焊接应力的作用下,易形成裂纹。多层焊时裂纹敏感性更大,应避免使用过大的焊接线能量。

2.2钢和铜、铜合金的焊接

Fe与Cu的熔点、导热系数、线胀系数差异较大,这对钢与铜的焊接是不利的。由Fe和Cu的二元合金相图可知: Fe<0.3%时为相,Fe<0.2%时为X相,其它情况为T+X相组织,所以铜和钢焊接时,在熔合线

附近靠铜一侧为T+X组织。钢与铜、铜合金焊接时,主要问题是易出现热裂纹、铁稀释侵入裂纹及渗透裂纹,而气孔倾向比较小。

(1)热裂纹主要是由焊缝中的低熔点共晶体、组织状态以及焊接应力造成的。

钢和铜中都含有杂质,在焊接过程中能形成各种=低熔点共晶体和脆性化合物,容易产生偏析。焊接低碳钢和铜、铜合金时,焊缝中易形成FeS (熔点为1 189℃ )、 FeP (熔点为1 050℃ )和(Fe+ FeS)共晶体(共晶温度为985℃ )。再加上铜中的一些低熔点共晶体,这些化合物和低熔点共晶体偏析于晶界,严重地削弱了金属在高温时的晶间结合力,焊缝易产生热裂纹。

焊缝中Fe含量对热裂纹的影响也很大。当Fe含量达0.2%～ 1.1%时,焊缝金属呈T单相组织,抗热裂纹能力降低,当Fe含量加大时,焊缝变为T+X双相组织,抗热裂纹能力提高,当Fe含量为10%～ 43%时,抗

热裂纹能力最好。

(2) Fe的稀释侵入裂纹

文献[3]认为,在固态下, 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,降低

了焊缝的韧性及抗裂纹能力。

(3)铜的晶界渗透裂纹

在钢表面堆焊铜及铜合金时,近缝区产生渗透裂纹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,在结晶过程中,金属组织往往存在缺陷,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。侵入钢中的铜或铜合金液体,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纹。

文献[5]认为,在铜基钎料高温钎焊不锈钢时出现的渗透裂纹,是由于富铜的Cu-Mn液相在钎焊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”和改善钎焊表面的作用,为润湿铺展创造了良好的条件。

3.铜及铜合金的焊接工艺

3.1铜及铜合金的焊接

3.1.1铜

接过程中,最重要的是预热、保温,并采用较快的焊接速度,这样才能使焊缝金属很快达到熔化温度,晶粒不会长得过大。特别是在焊厚板时,预热温度必须达到400～ 500℃ 。另外,还要在焊接过程中加入一些脱氧还原剂,以便于清除焊缝中的O2、 H2、 S等杂质。采用惰性气体保护焊时,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时预热温度可以降低一些。一般在焊丝中加入一定量的Si比较好。用激光、等离子弧、电子束焊接则比较好,用电子束熔焊脱氧铜时,第一次焊易出现缺陷,再焊一次时则焊道成形良好。