紫铜的焊接

        (一)紫铜的焊接性      紫铜(纯铜)的焊接性较差，焊接紫铜比焊接低碳钢困难得多。紫铜在焊接时存在的主要问题有：
        1．焊透性差，易变形。紫铜的导热率在室温时比低碳钢约大8倍，在1000℃时要大10倍，使得焊接区不容易加热到熔点，致使母材难以熔化，填充金属和母材不能很好熔合，产生未焊透和未熔化现象。因此，焊接时要使用大功率热源(火焰能率高)，通常在焊接前还需采取预热措施。另一方面，紫铜的线膨胀系数比低碳钢要大50％以上，由液态转变为固态时收缩率也较大，再加上铜的导热能力好，使焊缝热影响区宽，如果工件刚度不大，又无防变形措施，在焊件焊后就会产生严重的变形。
        2．易氧化，焊接接头机械性能低。铜在常温下不容易氧化，但当温度升高到300℃以上时，其氧化能力便很快增大。当温度接近熔点时，其氧化能力最强，生成氧化亚铜(Cu₂O)。在焊缝金属结晶时，氧化亚铜和铜会形成低熔点共晶体(1064℃)，分布在铜的晶界上，使焊接接头力学性能大为降低，其强度可降低到只有母材的1／2～1／3。又由于铜是单相组织，没有同素异构转变，也没有重结晶和细化晶粒的作用，因此，焊后焊缝金属都是粗大的晶粒组织，所以也造成了焊后焊缝的机械性能一般低于基本金属，尤其是接头部分的塑性和韧性，降低更为明显。
        3．气孔。气孔是铜焊接时的一个主要问题。大量试验研究和生产实践表明，紫铜焊缝对氢气孔的敏感性比低碳钢焊缝要高得多。其原因是：一方面铜的导热系数高，使得铜焊缝的结晶凝固过程特别快，因而在高温时所溶解在焊缝中的氢不易上浮逸出，就在焊缝中形成气孔；另一方面，试验表明，铜在高温时吸收氢量的能力比低碳钢也大得多，这也是为什么铜对氢气孔特别敏感的原因。
        4．裂纹。紫铜在焊接时，在焊缝和近缝区内产生的裂纹，其中最常见的是热裂纹。热裂纹的倾向与两个因素有关：一是焊缝中杂质的影响；一是焊接过程中所产生的应力。铜在高温时易氧化成氧化亚铜，在凝固时，氧化亚铜不溶于固体铜中，因此析出的氧化亚铜与铜形成脆性的共晶体分布于晶界上，使铜变脆，易形成裂纹。此外，铅(Pb)和铋(Bi)也是铜的主要有害杂质，它们几乎不溶于铜，在结晶时析出并与铜形成低熔点共晶体，即使在焊缝中含量很低也会形成裂纹。再者，由于铜线膨胀系数和收缩率较大，而且导热性强，焊接时多采用较大的热功率，加热区域较宽，因而焊接接头承受较大的拉应力，也是促使焊接时产生裂纹的另一个原因。
        (二)紫铜的气焊
        1．接头型式和坡口制备。焊接紫铜最常用的是对接接头。搭接接头和T型接头一般不采用，坡口的型式及尺寸详见表4—4。
        2．气焊工艺参数的选择。气焊紫铜时，焊丝一般都含有脱氧剂，如磷(P)、硅(Si)、锰(Mn)、锡(Sn)等。采用最多的焊丝是201(紫铜焊丝)或丝202(低磷铜焊丝)，详见表3—6。常用的焊粉(气焊熔剂)为气剂301，焊粉的主要成分为硼砂和硼酸，详见表3—10。气焊紫铜时，应采用中性焰。氧化焰会使熔池氧化，在焊缝中生成脆性的氧化亚铜；碳化焰会使焊缝产生气孔。由于铜的导热性强，因此，气焊时应选用较大的火焰能率，焊丝直径、焊炬型号、焊嘴号码及乙炔流量的选择应根据母材厚度，详见表5—19。
        表5—19紫铜气焊时焊炬和焊嘴的选择

母材厚度   (mm)	焊丝直径     (mm)	焊炬型号及焊嘴号码	乙炔流量     (L／h)
<1.5	1.5	H01-2焊炬，4～5号焊嘴	150
1.5～2.5	2	H01-6焊炬，3～4号焊嘴	350
2.5～4	3	H01-12焊炬，1～2号焊嘴	500
4～8	S	H01-12焊炬，2～3号焊嘴	750
8～15	6	H01-12焊炬，3～4号焊嘴	1000

        3．气焊工艺过程
        (1)焊件的清理：焊件表面和焊丝表面的油污和氧化物，在焊接前必须清理干净。清理方法是先用丙酮溶液将表面油污洗净，再用温水冲洗。然后在待焊处两侧20～30mm范围内用钢丝刷刷除氧化物，直至露出金属光泽为止。清理后的焊件应及时进行焊接，以免表面重新氧化。
        (2)准备垫板：特别是焊接厚板时，由于焊接熔池及装配间隙均较大，为保证完全焊透，又不使铜液从焊缝中流失，以及使焊缝背面成形良好，在焊接下面应放置垫板，如图5—6所示。垫板应放置水平，不能有任何方向的倾斜。垫板材料可用钢或石墨，为减少在使用时焊缝处热量向金属垫板传导，可预先把垫板加热至200～300℃。在垫板与焊件之间还必须放入一层导热性差的石棉板，以避免垫板与焊件产生粘合现象或石墨垫板向焊件渗碳的现象发生。石棉板在使用时，必须经过烘干，去除水分。
        (3)预热：紫铜在气焊时必须预热。预热温度为400～500℃，厚大焊件的预热温度为600～700℃。当板厚大于10mm时，要用两把焊炬，一把用来预热，另一把用来焊接。
        (4)焊件的装配：接板一般不用点固焊缝，但焊件组装可以用点固焊缝点固。在不点固的情况下接板时，应使两板材彼此之间有一锥形预留间隙，以弥补焊缝的收缩，如图5—7所示，一般焊缝长度每增加1m，预留间隙应增大16mm，或接头末端的间隙应不超过焊缝全长的2％，即：a≤2％L。焊件装配时可用夹具，也可用定位焊装配，定位焊点长度为20～30mm，短焊缝应先定位焊两端，再定位焊中间。
        (5)操作技术：一般焊件厚度小于5mm时，采用左焊法，当焊件厚度较大时，应采用右焊法。焊嘴与焊件之间的夹角为70°左右。起焊点应选在焊缝长度的1／3处，对于点固的长焊缝，为改变应力状态，应采取分段倒退焊法，焊接顺序和方向见图5—8。在起焊时，焰芯距焊件表面约3～6mm。在焊接过程中，焊接火焰不得离开焊缝，以防止氧化。为更好地焊透并填满焊缝，可将焊件倾斜7°～10°，进行上坡焊。由于高温的铜液容易吸收气体，而且热影响区金属晶粒容易长大变脆，所以焊的道数愈少愈好，最好进行单道焊。
        (6)紫铜的焊后处理：气焊紫铜时所获得的焊接接头，其力学性能通常低于母材，为提高接头的性能，可进行锤击和热处理。焊件厚度小于5mm时，可在冷态下进行锤击；较厚的焊件应在250～350℃下锤击。经过锤击，焊件接头的强度和塑性都会得到提高。如果把焊件加热到500～600℃，然后在水中急冷，可以提高焊接接头的塑性和韧性，这种处理通常叫做水韧处理。
        (三)紫铜气焊实例
        1．Φ10×1．5mm的紫铜管的气焊。
        选用的焊炬为特小号H01—2型，5号焊嘴，熔剂为气剂301(CJ301)，焊丝为丝202，气焊火焰选用中性焰。
        气焊前将两铜管待焊处用砂布打磨至露出金属光泽，再用细锉刀将小铜管待焊处锉平，然后将两铜管对接，不留间隙。焊接时，先在焊接处上下移动焊炬进行预热。当焊件预热至暗红色时，将焊丝一端烧热沾上熔剂涂在待焊处周围，这时应注意焊丝的尖端要在外焰中。在达到焊接温度时，把焊丝送到焊接处熔化一滴，这滴铜水和焊件熔合后，应及时把火焰和焊丝移开，等铜熔液稍凝固，再送入焊丝，如此连续进行焊接。
        2．Φ57x4mm紫铜管的气焊。
        (1)焊前准备：接头开60°～70°的坡口，用细砂布打磨工件和焊丝表面、去除表面锈蚀，使之露出金属光泽。选用H01—12焊炬，3号焊嘴，焊丝选用丝201、直径为黟4mm，气焊熔剂选用气剂301(CJ301)。首先用气焊火焰加热焊丝，蘸上熔剂，然后将管子圆周等分为三分，用严格的中性焰定位焊两点，从第三点开始爬坡转动焊。
        (2)焊接：在爬坡焊处预热，预热温度为400～500℃，以看到坡口处起皱、发黑为宜，然后压低焊炬，使焰心距坡口表面4～5mm，加热坡口到红热状态，并不断用焊丝蘸熔剂往坡口上熔敷。这时由于热胀作用，间隙减小，约有1.5～2mm。继续加热，则可看到坡口中铜水冒气泡，直至冒气泡现象消失，证明已达到温度，这时应迅速投入焊丝熔滴。焊炬划圈前进，防止铜水四散和焊缝成型不良，要边转边焊。至焊缝终点时应继续焊到超过终点10mm左右，慢慢填满熔池，待熔池凝固后再撤离焊炬。然后用小锤轻轻敲击焊缝。最后将焊缝加热至暗红色，放入水中急冷，取出后把表面熔渣清除干净。

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