紫铜与黄铜正确焊接方法

基础知识

铜具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性及一定的强度等特性。在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航空航天工业中得到广泛应用。在纯铜（紫铜）中添加10余种合金元素，形成固溶体的各类铜合金，如加锌为黄铜；加镍为白铜；加硅为硅青铜；加铝为铝青铜等等，如图9-17所示。

图9-17  常用铜合金

工业纯铜称为紫铜。常用铜合金有黄铜（铜锌合金）、青铜两类。在铜和铜合金中焊接量最大的是纯铜和黄铜。青铜焊接多为铸件缺陷的焊补，在机械制造工业中，白铜（铜镍合金）焊接应用较少。

1.紫铜

根据含氧量的不同，紫铜可分为工业紫铜（牌号有T1、T2、T3、T4）、脱氧紫铜（TUP）和无氧紫铜（TU1、TU2）。紫铜的熔点为1 083℃。紫铜具有极高的导电性、导热性、优良的可塑性，在低温下，紫铜仍能保持较高的塑性，因此在制冷设备中用得较多。

2.黄铜

铜和锌的合金称为普通黄铜，其颜色随含锌量的增加由黄红色变成淡黄色。根据工艺性能、机械性能和用途的不同，黄铜可分为压力加工用黄铜和铸造黄铜。黄铜以字母H编号，普通黄铜H后的数字表示铜的平均含量，特殊黄铜在H后还要注明所加入主要元素的化学符号，然后在铜的平均含量后，列出所加入主要元素的平均含量，例如HMn58-2表示含铜量58%，含锰量2%的锰黄铜。

3.青铜

凡不以锌为主要组成而以锡、铝、硅、铅或铍等元素组成的铜合金称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。青铜可分为压力加工用的青铜和铸造用的青铜，在工业上应用较多的是铸造青铜。青铜常以字母Q编号，字母后标以主要合金元素的化学符号及平均含量，并在最后还标出其他合金元素的平均含量，余量为铜。例如QSn3-7-5-1，表示含锡3%、锌7%、铅5%、镍1%的锡锌铅镍青铜。青铜具有较高的机械性能、耐磨性、铸造性能和耐腐蚀性能。常用来制造各种耐磨、耐蚀的零件，如轴套、轴瓦、阀体、泵壳、涡轮等。

任务实施

一、铜及铜合金的焊接性

1.导热率高

常温下紫铜的导热系数比碳钢约大8倍，要把紫铜焊件局部加热到熔化温度比较困难，因此，在焊接时要采用能量集中的热源。

2.裂缝

裂缝的位置在焊缝、熔合线及热影响区。裂缝呈晶间破坏，从断面上可看到明显的氧化色。焊接结晶过程中，微量氧与铜形成Cu2O，并与α铜组成低熔点共晶（α+Cu2O），其熔点为1 064℃。铅不溶于固态铜，铅与铜生成熔点约326℃的低熔点共晶体。高温下的铜及铜合金接头在焊接内应力的作用下，在焊接接头的脆弱部位形成裂纹。另外，焊缝中的氢也可导致裂纹。

3.气孔

纯铜焊缝金属中的气孔主要是由氢气引起的。当纯铜中溶解有CO气体时，也可能由水汽及由一氧化碳和氧反应生成的CO2气体引起气孔。

铜合金焊接时的气孔形成倾向比纯铜要大得多。一般气孔分布在焊缝中心及接近熔合线处。

4.接头力学性能降低

在铜合金的焊接过程中会发生铜的氧化及合金元素的蒸发、烧损现象。低熔点的共晶及各种焊接缺陷导致焊接接头强度、塑性、耐蚀性及导电性降低。

二、铜及铜合金的焊接工艺

1.焊接方法

铜及铜合金的焊接方法很多，如气焊、碳弧焊、焊条手工焊、钨极氩弧焊、理弧焊、等离子焊等。它们各有不同的应用场合，必须根据铜及铜合金的种类、焊件厚度、产品结构形状、生产条件、对焊接生产率及接头质量要求等加以选择。

2.铜和铜合金的焊接材料选择

铜及铜合金的焊接材料主要是指填充焊丝、焊条及焊粉。

（1）填充焊丝 在气焊、碳弧焊、钨极氩弧焊时，需要手工添加填充焊丝。国产铜及铜合金焊丝的牌号及化学成分见表9-21。

表9-21 铜及铜合金的焊接常用焊丝

（2）焊粉 在气焊、碳弧焊时，熔池金属的表面容易氧化生成氧化亚铜，由于氧化亚铜的存在，往往引起焊缝气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

向焊缝熔池导入铜焊粉后，由铜焊粉中的化合物与氧化亚铜反应，促使氧化亚铜还原成易熔的液体熔渣，它浮于熔池及热影响区表而，以防止焊缝金属氧化。

常用铜焊粉的牌号是气剂301，铝青铜气焊、碳弧焊时可采用气剂401，气剂401呈碱性反应，能有效破坏氧化铝薄膜，但该焊粉吸湿，潮解性强，容易引起接头腐蚀，因此在焊后必须将焊缝表面及其两侧的熔渣、残留的焊粉彻底清洗干净。

（3）焊条 铜焊条分为紫铜、青铜两类，目前应用较多的是青铜焊条。青铜焊条除了可以用来焊接各种青铜、黄铜外，还可以用来堆焊轴承等承受金属间摩擦、磨损和耐海水腐蚀的零件，以及容易产生裂缝的铸铁件的焊补等。常用铜及铜合金焊条见表9-22。

表9-22 铜及铜合金常用焊条

3.紫铜的焊接

焊接紫铜的方法有气焊、手工碳弧焊、手工电弧焊和手工氩弧焊等方法，大型结构也可采用自动焊。

（1）紫铜的气焊 焊接紫铜最常用的方法是气焊的对接接头焊，搭接接头和丁字接头尽量少采用。气焊可采用两种焊丝，一种是含有脱氧元素的焊丝，如丝201、202；另一种是一般的紫铜丝和母材的切条，采用气剂301作助熔剂。气焊紫铜时应采用中性焰。

（2）紫铜的手工电弧焊 在手工电弧焊时采用紫铜焊条铜107，焊芯为紫铜（T2、T3）。焊前应清理焊接处边缘。焊件厚度大于4 mm时，焊前必须预热，预热温度一般在400℃～500℃左右。用铜107焊条焊接，电源应采用直流反接。焊接时应当用短弧，焊条不宜作横向摆动。焊条作往复的直线运动，可以改善焊缝的成形。长焊缝应采用逐步退焊法，焊接速度应尽量快些。多层焊时，必须彻底清除层间的熔渣。焊接应在通风良好的场所进行，以防止铜中毒现象。焊后应用平头锤敲击焊缝，消除应力和改善焊缝质量。

4.黄铜的焊接

（1）黄铜的焊接性 黄铜是铜锌合金，由于锌的沸点较低，仅为907℃，故焊接过程中极容易蒸发，这一点成为黄铜焊接的最大问题。在焊接高温作用下，焊条电弧焊时锌的蒸发量高达40%，锌的大量蒸发，导致焊接接头的力学性能和耐蚀性能下降，还使之对应力腐蚀的敏感性增大。蒸发的锌在空气中立即被氧化成氧化锌，形成白色的烟雾，给操作带来很大困难，而且影响焊工身体健康，因此，焊接黄铜的场所，应加强通风等防护措施。黄铜的焊接性不良，焊接时会产生气孔、裂纹、锌的蒸发和氧化等问题。为了解决这些问题，在焊接时常用含硅的焊丝，因为硅在熔池表面会形成一层致密的氧化硅薄膜，阻碍锌的蒸发和氧化，并防止氢的入侵。焊后可经470℃～560℃的退火处理，以消除应力，防止“自裂”现象。

黄铜焊接的方法有：气焊、手工电弧焊和氩弧焊。

（2）黄铜的气焊 由于气焊火焰的温度低，焊接时黄铜中锌的蒸发比采用电焊时少，所以在黄铜焊接中，气焊是最常用的方法。黄铜气焊采用的焊丝有：丝221、丝222和丝224等，这些焊丝中含有硅、锡、铁等元素，能够防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的性能和防止气孔产生。气焊黄铜常用的熔剂有固体粉末和气体熔剂两类，气体熔剂由硼酸甲脂及甲醇组成；熔剂如气剂301。

（3）黄铜的手工电弧焊 焊接黄铜除了用铜227及铜237外，也可以采用自制的焊条。黄铜电弧焊时，应采用直流电源正接法，焊条接负极。焊前焊件表面应作仔细清理。坡口角度一般不应小于60°～70°，为改善焊缝成形，焊件要预热150℃～250℃。操作时应当用短弧焊接，不作横向和前后摆动，只作直线移动，焊速要高。与海水、氨气等腐蚀介质接触的黄铜焊件，焊后必须退火，以消除焊接应力。

（4）黄铜的手工氩弧焊 黄铜手工氩弧焊可以采用标准黄铜焊丝：丝221、丝222和丝224，也可以采用与母材相同成分的材料作填充材料。焊接可以用直流正接，也可以用交流。用交流焊接时，锌的蒸发比直流正接时轻。通常焊前不用预热，只有板厚相差比较大时才预热。焊接速度应尽可能快。焊件在焊后应加热300℃～400℃进行退火处理，消除焊接应力，以防止焊件在使用过程中裂缝。

拓展提高

近年来，采用MIG方法焊接铜及铜合金的施工越来越多，尤其对于厚度不小于3 mm的铝青铜、硅青铜和白铜最好选用MIG焊方法。厚度3～14 mm或大于14 mm的铜及铜合金几乎总要选用MIG焊，因为MIG焊熔敷效率高、熔深大、焊速快（一般为TIG焊的3～4倍），实现高效、优质、低成本的经济效益要求。铜材施焊前均应达到预热温度要求（纯铜400℃～600℃，铜合金200℃～300℃），焊丝与母材化学成分相似，氩气纯度不小于99.98%。