钢与铜及铜合金的焊接研究现状

2020-02-28 来源：一二三四网

《热加工工艺》　2003年第6期

综　述　　　　

钢与铜及铜合金的焊接研究现状

韩彩霞1,2,张柯柯1,2,3,杨蕴林1,3,徐东1

(1.河南科技大学材料科学工程学院,河南洛阳471003;

2.兰州工业大学省部共建有色金属新材料国家重点实验室,甘肃兰州730050;

3.华中科技大学激光技术国家重点实验室,湖北武汉430074)

摘　要:叙述了钢与铜及铜合金熔化焊、钎焊、固态焊的国内外研究现状。指出,研究适用于钢与铜及铜合金的固态焊接新工艺尤为必要。

关键词:钢;铜;铜合金;焊接

中图分类号:TG47;TG44　　　文献标识码A:　　　文章编号:100123814(2003)0620053203

WeldingPresentSituationofSteelandCopperorCopperAlloy

HANCai2xia

1,2,3

1,31

,ZHANGKe2ke1,2,YANGYun2lin,XUDong

(1.MaterialScience&EngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technolgoy,Luoyang471003,China;

2.StateKeyLaboratoryofNewNonferrousMetalMaterizls,LanzhouUniversityofScienceandTechnology,Lanzhou730050,China;

3.StateKeyLaboratoryofLaserTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Thepresentresearchsituationoffusionwelding,brazingandsolid2stateweldingofsteelandcopperorcopperalloyisreviewed,pointsoutthatitisnecessarytostudythenewtechnologyofsolid2stateweldingofsteelandcopperorcopperalloy.Keywords:steel;copper;copperalloy;welding

　钢与铜及铜合金的复合构件因在性能与经济上优势互补到钢晶粒之间,产生热应力,使焊缝发生断裂。同时合金元素易烧损、易蒸发,且在焊缝中能够产生锡、铅等元素的偏析,因此,焊接时需要采取特殊的工艺措施。

2.1　手工电弧焊

而具有良好的应用前景。如航空发动机柱塞泵柱塞采用锡青铜与合金钢真空扩散焊制成[1],弹带上钢与纯铜的熔敷扩散焊等[2]。钢与铜及铜合金的焊接可采用熔化焊、钎焊和固态焊等焊接方法[3～6],本文概述了国内外对钢与铜及铜合金焊接研究的现状。

采用此法的主要问题是易产生裂纹、气孔和偏析等缺陷[8]。紫铜与低碳钢的焊接,一般采用J422、扁铜线T107、T227焊条、和焊剂301以及J507焊条上缠绕<1.25mm紫铜丝等。焊接工艺要点为:当板厚大于4mm时,开大坡口(一般为70°的V型或不对称的X型坡口);焊前烘干焊条;加引灭弧板;预热铜板并在焊接过程中保持该预热温度;一般采用直流反接(扁铜线和焊剂301采用直流正接);每层焊完后清渣,并用小锤锤击焊缝,以防裂纹。

2.2　钨极氩弧焊(TIG)

(TIG)的主要问题是不易掌握好电弧热量对两种金属的分

1　钢与铜及铜合金熔焊时常产生的问题

1.1　难熔合及易变形

由于铜和大多数铜合金的热导率比普通碳钢大7～11倍,熔焊时大量的热从基材上散失,焊接区难以达到熔化温度,造成难熔合。又因铜的线胀系数及收缩率比铁大一倍以上,因此焊接时在无拘束条件下易变形。

1.2　热裂倾向大[7]

由于Cu及Cu合金中合金元素及有害杂质的作用,焊接时易形成低熔共晶体和脆性化合物,易产生偏析,使接头产生热裂纹。

1.3　气孔倾向严重

配,铜在氩弧焊时有热裂倾向[9]。因此,焊材一般可采用HS201

(焊丝)。焊接工艺要点为:开V型坡(70°不对称坡口,一侧30°,),并清洗坡口防紫铜氧化;预热紫铜板;直流正接;另一侧40°

电弧偏铜板一侧;焊时采用耐火纤维包覆试板,防止散热;采用多层焊,每层焊完后注意预热。该方法适用于单件小批量生产。

2.3　熔敷扩散焊

钢与铜焊接时易出现气孔,其主要原因是过量的氢存在。

1.4　接头性能下降

在焊接过程中热作用之下,晶粒严重长大,杂质和合金元素的掺入,有用合金元素的氧化,各种脆性的低熔共晶体出现于晶界,或产生脆性相,使接头的塑性、韧性、导电性、耐蚀性等显著下降。

文献[2]报道了弹体(50钢,冷拔态)与弹带(T2铜)的熔

收稿日期:2003204202

基金项目:省部共建有色金属新材料国家重点实验室基金[2003];激光

技术国家重点实验室开放基金([2001]0110);河南省教育厅自然基金(2003430211)。

作者简介:韩彩霞(19712),女,河南新安人,工程师,硕士生。

2　钢与铜及铜合金的熔化焊

研究表明[3],钢与铜及铜合金采用熔化焊时,经常发生铜渗

　　　　REVIEW

HotWorkingTechnology　2003No.6

和动态再结晶而完成焊接的。铜与低碳钢的摩擦焊,由于铜的硬度底,在摩擦加热时,钢不发生明显的塑变,而铜会发生很大的塑变,从而使轴向摩擦压力难以提高,摩擦功率低。另外,铜的导热系数比钢大,使得摩擦产生的热量易于传给母材,而且铜在压力作用下易从焊接端面挤出形成飞边,也会散失部分热量,导致摩擦表面的温度很难提高,所以实际进行摩擦焊有一定困难[17]。

文献[17]研究了紫铜(T2)与低碳钢(20钢)棒材的连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊。在主轴转速760r󰃗min,摩擦压力144～162MPa,顶锻压力215～250MPa,摩擦时间0.4～0.6s,顶锻时间0.1s,保压时间5s的工艺参数下,实现了紫铜与低碳钢的连续驱动摩擦焊;在主轴转速为770r󰃗min,焊接压力179～215MPa,焊接时间0.6～0.8s的工艺参数下完成了紫铜与低碳钢的惯性摩擦焊。结果证明:两种摩擦焊的可焊性尚可;接头室温拉伸强度达到母材铜的85%以上;热影响区很窄,且是细晶组织。

4.3　真空扩散焊敷扩散焊接。采用感应加热或等离子加热,使预制在弹体上的弹带(铜圈)局部或整体熔化,而钢不熔化,依靠铜铁的扩散实现冶金结合。实验表明,弹带外观成型良好,焊合质量满足要求。

文献[10]提出了感应、电弧、连续炉和熔铸“熔覆铜”的工艺方法,实现了钢基体(50钢)与铜(T2)熔覆层的无熔深焊接。熔覆层与铜基体有良好的冶金结合,界面无未焊合、夹渣等缺陷。焊接界面剪切强度为148～163MPa,超过了铜熔覆层的强度。

3　钢与铜及铜合金钎焊

钢与铜及铜合金较精密的焊接,宜采用钎焊,钎焊不会出现熔化焊时易产生的裂纹、气孔、偏析等问题,但钎焊时易降低接头的抗腐蚀性能,接头强度较低,且使用范围受一定限制。

钢与铜及铜合金钎焊一般采用铜2磷2锡焊膏的硬钎焊[11]

和氧2乙炔火焰钎焊[12]等方法,其特点是无镉、无银,但接头常出现气孔、夹渣、未焊透、侵蚀等焊接缺陷,使接头性能严重下降。为防止制品腐蚀,焊后对钎剂要进行及时清洗。氩弧钎焊热影响区窄,工件变形小,焊接中可以不用钎剂。该方法焊缝的常温、低温强度、致密性很好,耐疲劳性强,成型美观,变形小,清洁度高,特别适用于管与管板的焊接[8,13]。

文献[14]采用BTZ201铜基合金焊丝对紫铜管(TP2)与不锈钢管板(0Cr18Ni9)进行氩弧钎焊,这种接头克服了采用火焰银钎焊中变形大、气密性差等缺点。焊接工艺要点为:焊前清理,焊时控制热量分布,采取短弧焊接。

扩散钎焊是在高温下保温一定时间以使焊件产生微量变形,使接触部分产生原子互相扩散的过程。该方法兼有扩散焊与钎焊的特点,其接头是被焊件的原子通过固态的,有时可采用熔化的中间夹层对对接面之间液态物质相互扩散而形成。文献

[15]

为实现钢与铜及铜合金的高精度、高质量的有效连接,目前国内外多采用真空扩散焊。文献[1,18～20]对钢与铜合金进行了真空扩散焊试验,获得了较好的连接效果。文献[21]利用钒+铜作为中间夹层实现了钛合金与不锈钢的扩散连接。此种连接方法对物理性能或冶金性能相差悬殊的异种材料的连接更为有效[22,23]。

文献[24,25]在820～850℃,1.0～2.0MPa,20min的工艺参数下,采用镍作中间层或不用中间层将锡青铜(QSn4242

2.5)与钢(45钢)进行扩散连接,得到了质量良好的焊接接头。

结果表明,采用纯镍箔作中间层可以使锡青铜与钢扩散连接接头强度有一定程度的提高,抗拉强度达180～200MPa,且呈韧性断裂。

文献[26,27]研究了CuAlBe合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的瞬时液相扩散焊接。结果表明,采用Cu30Mn中间层,在1223K、

1MPa、40min工艺参数下,接头强度达487MPa,其断口呈韧

采用银、铜、镍中间夹层组合,在钎焊温度950℃,保温时间

10～20min,预充应力0.06～0.12MPa,焊接时压应力0.16～0.35MPa,真空度0.5Pa的工艺参数下,实现了铜钢的扩散钎

性断裂。

文献[28]在800～850℃,3MPa,15～30min的工艺参数下,利用自制小型真空扩散装置研究了铜与45钢的扩散接合,接头抗拉强度可达174.3～198.5MPa。

采用真空扩散焊虽然可获得优质接头,但其设备昂贵,工艺要求苛刻,且效率不高。

4.4　恒温超塑固相焊接

焊,其钎焊缝剪切强度可达到175.1MPa。

4　钢与铜及铜合金的固态焊

为适应材料精密焊接的需要,固态焊接已成为异种材料连接的研究热点。

4.1　爆炸焊

铜与钢的爆炸焊接已在国内外得到广泛应用,并成为很有前途的焊接方法之一。用爆炸焊制造铜2钢复合板的结合强度主要取决于爆炸焊的工艺参数、炸药质量与悬置板质量的比值、爆炸速度和两相邻板间的起始距离。文献

[16]

它是利用材料在超塑变形时的塑性流变与扩散而实现的固态焊接。与常规变形焊与扩散焊的本质区别在于焊接过程中发生了超塑性流变,这种变形是以空位扩散与位错运动所调节的晶界滑移与晶粒转动为主,并伴有明显的原子扩散[29～31]。该焊接方法所需的压力小(与扩散焊相当);加热温度不高(介于冷压焊与热压焊、扩散焊之间);无需真空或保护气氛;无需复杂设备工装;工艺简单、适用范围广;焊后几乎无需加工等特点,具有广阔的工业应用前景和明显的技术经济效益。文献[29]报道了在压接温度740～800℃,应变速率(1.67～13.3)×10-4s-1,预压应力10～30MPa,压接时间3～10min的工艺参数下,经短时压接实现了基于铬青铜超塑变形的铬青

应用2岩石炸药

爆炸焊接铜钢复合板获得成功。对于1.8mm厚铜复板而言,质量比1.37、爆轰速度2.58km󰃗s为最佳;而对4.0mm厚铜复板,质量比0.7、爆轰速度2.67km󰃗s为最佳。该试验结果已应用于实际生产,获得了良好的经济效益。

4.2　摩擦焊

摩擦焊是在外力作用下,利用焊件接触面之间的相对摩擦和塑性流动所产生的热量,使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形,通过两侧材料间的相互扩散

铜(QCr0.520.220.1)与钨合金(W2Ni2Fe)的恒温超塑固相焊

《热加工工艺》　2003年第6期

接,接头抗剪切强度可达162.7MPa,达到或接近铬青铜母材

强度(156.5MPa)。铜及铜合金超塑焊接的主要问题是铜及其合金的氧化问题。

4.5　内压扩散复合连接

综　述　　　　

文献[32]研究了内包覆铜钢双金属管的内压扩散复合工艺。试验用钢管(20钢)为外管,薄壁铜管为内管,通过表面处理、套管、拉拔、加水封管和内压扩散处理,在水汽化压力与温度的共同作用下,铜钢复合管的界面附近发生了铜原子和铁原子的互扩散,实现了良好的冶金结合。该方法与一般的扩散连接过程类似,但不需专门的真空设备,不需在加热的同时采用机械方法施加压力,也不需用成本较高的高压惰性气体作介质,其加压过程是利用水在高温下汽化产生的气体压力实现的。该方法比较适合于异种金属复合管的连接。

全国焊接会议论文集第一册[C].天津:2001.

[20]　何鹏,冯吉才,韩杰才,等.Ti40Cr钢扩散连接界面组Al󰃗V󰃗Cu󰃗

织结构对接头强度的影响[J].焊接,2002,(7):12.

[21]　孙荣禄,张九海,黄喜东.中间过渡金属V+Cu对钛合金与不锈

钢扩散焊接性能的影响[J].焊接,1997,(2):2.

[22]　H.5.卡扎柯夫著,何康生,孙国俊译,材料的扩散焊接[M].北

京:国防工业出版社,1982.

[23]　李志远,钱乙余,张九海,等.先进连接方法[M].北京:机械工业

出版社,2000.

[24]　李卓然,张九海,冯吉才.锡青铜2镍2钢扩散连接工艺研究[J].焊

接技术,1999,28(2):6.

[25]　李卓然,张九海,冯吉才.锡青铜与钢的扩散连接[J].宇航材料工

艺,1999,(3):51.

[26]　于治水,吴铭芳,王凤江,等.瞬时液相扩散焊接CuAlBe合金与

1Cr18Ni9Ti不锈钢[J].焊接学报,2000,21(3):32.

[27]　YUZhi2Shui,WANGFeng2jiang,LIXiao2quan,etal.Diffusion

bongingofcopperalloytostainlesssteelwithNiandCuinterlay2er[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China,2000,10(1):88.

[28]　王希琳,王贞炳,陈志华,等.铜与45钢扩散接合的研究[J].热加

工工艺,1993,(4):34.[29]　杨蕴林,马峰,王长生,等.基于铬青铜超塑变形的铬青铜󰃗钨合金

5　结语

钢与铜及铜合金二者高质量的焊接目前主要依靠固态焊接。随着铜钢异种金属结构件应用领域的不断拓展,研究适用于钢与铜及铜合金真空扩散焊、恒温超塑焊等固态焊接新工艺是十分必要的。参考文献:

[1]　侯金保,董宝明,王凯.锡青铜2合金钢扩散焊技术研究[A].第九

固相焊接[J].焊接学报,2001,22(2):15.

[30]　MaeharaY,KomizoY,LangdonTG,Principlesofsuperplastic

diffusionbonding[J].MaterialsScienceandTechnologyAu2

gust,1988,14(4):669.

[31]　王燕文,冯泽舟.钢在压缩条件下的相变超塑性和焊接[A].日中

次全国焊接会议论文集第一册[C].天津:1999.

[2]　王克鸿,徐越兰,王建平,等.弹带熔敷扩散焊技术研究[J].兵器材

料科学与工程,2002,25(2):34.

[3]　刘中青,邸斌.异种材料的焊接[M].北京:机械工业出版社,

1990.

[4]　HARTSELLEW,JR,JoiningCopperandCopperAlloys[J].

WeldingJournal,1973,52(2):88.[5]　PRAGERM,KEAYLK,THIELEEW,Jr.JoiningCopperand

Copper2NickelCladSteels[J].WeldingJournal,1978,57(9):22.[6]　MalinV.Developmentofsolidificationweldingfordepositingnon2ferrousalloysontosteel[J].WeldJournal,1992,71(5):35.[7]　季杰,马学智.铜及铜合金的焊接[J].焊接技术,1999,28(2):13.[8]　张鸿俭,刘志明,吴永江,等.电渣重熔结晶器焊接工艺的研究[J].

超塑性󰁸󰂳󰂝󰁹󰁧’86论文集[C].日本横滨:1986.

[32]　孟杰,刘世程,刘德义,等.内包覆铜钢双金属管内压扩散复合工

艺研究[J].大连铁道学院学报,2002,23(4):79.

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焊接技术,1998,27(1):14.

[9]　何康生,曹雄夫.异种金属焊接[M].北京:机械工业出版社,1986.[10]　王克鸿,徐越兰,余进,等.无熔深熔覆铜工艺[J].焊接学报,

2001,22(6):69.

[11]　MottranRD.采用铜2磷2锡焊膏进行铜与低碳钢或不锈钢的硬

钎焊[J].国外焊接,1987,(4):14.[12]　江勇.黄铜及黄铜与碳钢、不锈钢受压管道的焊接技术[J].焊接

技术,1996,25(1):24.[13]　朱军,王东,陈东高,等.浅谈铜与钢异种材料的氩弧钎焊[J].兵

器材料科学与工程,2000,22(4):43.

[14]　曾传勇,曾辉.铜与不锈钢氩弧钎焊在高压低温绕管换热器中的

应用[A].第十次全国焊接会议论文集第一册[C].天津:2001.

[15]　王长寿.铜2钢推力室身部扩散钎焊工艺研究[J].宇航材料工艺,

1996,(3).54.

[16]　张鹏,董文忠.2#岩石炸药在铜钢爆炸焊接中的应用[J].电焊

机,2001,31(3):45.[17]　申捷.铜与低碳钢摩擦焊特性研究[J].焊接技术,1995,24(4):

17.

[18]　曾悦坚,张炳范,赵裕民,等.不锈钢与铜的扩散焊接[J].焊接,

1986,(4):19.[19]　黄宁,李晓红,周荣林.电磁纯铁与锡青铜扩散连接[A].第十次

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