紫铜焊接工艺

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1、 - 1 - 同轴电缆外导体焊接工艺可行性研究同轴电缆外导体焊接工艺可行性研究 徐立城，杨立军，张健，韩蓬勃 天津大学材料学院，天津（300072） E-mail：xulicheng1982 摘摘 要：要：随着我国科技和经济发展，薄板得到越来越广泛的应用，本文就在通讯行业用应用 广泛的同轴电缆外导体生产进行研究。本文分析了根据铜的焊接性确定采用 TIG 焊，确定 焊接电流和速度的匹配关系，最终得到最佳焊接工艺参数。 关键词：关键词：薄板，纯铜，TIG 焊 1. 绪论绪论 随着科学技术的不断发展，我国各行业对焊接技术要求越来越高，薄板的焊接在国防、 航空、化工、电子等行业应用较为普遍。我国经济的

2、迅速发展, 使得超薄型材料在建筑装璜 业、广告业、生活用品制造业等行业得到大量应用 1 。近年来，随着Internet网络技术的发 展成熟以及用户对电信新业务需求的不断增长及数字家庭中心向数字电视、 机顶盒等信息家 电转移，薄板越来越多应用于通讯行业。 针对薄板焊接过程中所发生的问题，国内外许多学者己经作了大量的研究。从 30 年代 迄今，对焊接变形和应力的研究己经很多 23 。国内对薄板焊接的研究工作比国外起步的 晚，大概在 80 年代开始，但也取得了可喜的进展。北京航空工艺所的关桥、郭德伦等和哈 尔滨工业大学的田锡唐等对控制薄板焊接变形方面的试验研究做了大量工作。 企业为提高自身竞争力，

3、其研发及生产越来越强调高效率高质量生产。 自动钨极氩弧焊 具有高效、优质、成形美观等优点,在航空、航天、化工设备等机械制造业中得到广泛的应 用 4 。不填丝钨极氩弧焊可以焊接几乎所有的金属和合金,特别适合于薄板的单道焊。在生 产线中,提高焊接速度,意味着工件可以以很高的速度生产,节省大量人力和物力 5 ,解决制造 周期长、 成本高等问题。 高速钨极氩弧焊在美国已开始研究， 而在我国有这方面研究还很少。 为此,探讨这种能够取得良好焊接性能的高速焊工艺是非常急迫和实用的。 社会进步和现代化程度提高， 对通讯电缆的需求越来越大。 本课题针对天津安迅达生产 电缆环形皱纹外导体焊接过程中出现的问题，结合

4、常用材料纯铜的物理性能、化学性能，对 0.23mm 厚的铜箔的不填丝高速自动 TIG 焊工艺的可行性进行了研究,分别采用直流和脉冲 两种电流进行了工艺条件、焊缝成形的试验。 同轴电缆外导体通常由纯铜的箔带卷制焊接而成。 由于薄板结构的特点和铜材质自身性 能，在焊接过程中容易出现未熔合、错边、焊穿等缺陷。所以研究同轴电缆外导体的焊接工 艺对现实生产有指导意义， 也对其他材料薄板焊接有借鉴作用。 同轴电缆生产率和焊接质量 大幅提高，必定对我国通讯行业发展起到推动作用。 2. 铜的焊接性分析铜的焊接性分析 铜的焊接性主要有以下特点： （1）难熔合及易变形 导热性能对铜的焊接性能有很大的影响。铜的导热

5、率很高（导 热率比碳钢大 711 倍），热容量大，由于焊接区热量的迅速传导散失而使母材与填充金属 之间难以熔合，熔焊时易产生未熔合和未焊透。此外，铜易被氧化，铜的氧化在室温就开始 了，在焊接过程中更为严重。焊接时如果保护不良，产生的氧化物覆盖于熔池表面，阻碍填 充金属的继续熔合。因此，焊接纯铜及大多数铜合金时，要采用能量集中，大功率的热源。 - 2 - 纯铜的线膨胀系数加大，冷却时的收缩率也较大，在工件厚度较薄或结构刚度较小，又 无防止变形措施时，焊后很容易产生较大的焊接变形，工件越薄越容易变形。 （2）焊接热裂纹 焊接铜时极易产生热裂纹，裂纹的产生与杂质及合金元素有关，内 应力的存在是产生热

6、裂纹的主要原因。 铜中若含 Pb、Bi、S 量高时，会形成低熔点共晶物，这些低熔点共晶物严重降低了焊缝 金属的抗热裂纹能力， 热影响区还会产生液化裂纹， 故必须限制用于制造焊接结构的纯铜中 的 Pb、Bi、S 含量。 纯铜焊接时，焊缝为单相 组织。由于纯铜导热性强，焊缝易生长成粗大晶粒，这些因 素也加剧了热裂纹的生成。 （3）气孔 气孔是纯铜焊接的一个主要问题。纯铜焊接中的气孔主要是氢气孔，由氢 和水汽所引起。由于铜在液态能溶解大量的氢，凝固时氢的溶解度急剧减小，大量的氢要向 外逸出；加上铜的导热性强，熔池凝固特别快，氢来不及逸出，就在焊缝中形成气孔。 （4）接头性能和耐蚀性下降 纯铜的焊接工

7、程中没有相变，焊缝和热影响区的晶粒较 粗大，以致在一定程度上影响到接头的力学性能。通常铜的力学性能有所下降，特别是塑性 和韧性的降低更为显著， 这是由于焊后接头晶粒粗化以及晶界上存在脆性共晶组织所致。 纯 铜的接头强度约为基体金属的 80%90%，而伸长率和冷弯角的降低尤为显著6。钨极氩弧 焊的特点 3. 焊接方法选择焊接方法选择 焊接方法的选择必须根据焊件的性能、焊件厚度、产品结构、生产条件及接头质量要求 及各种焊接方法的特点等因素选择。另外，还要考虑生产的经济成本，包括设备成本、操作 技术和对劳动量的要求，以及相对操作车成本，如焊前准备和焊后精加工等。要求的数量， 重复生产的可能性，设备的

8、利用率，这些都是影响选择焊接方法的因素。对于尺寸和形状相 同的组合件，就希望提高生产率的自动化生产。鉴于以上原因，本试验采用自动钨极氩弧焊 焊接。焊接纯铜时刻采用直流正接，得到成形良好的焊缝。 钨极氩弧焊是一种能够较好控制热输入， 又易于推广应用的薄板焊接方法。 它采用惰性 气体氩气作为保护气体， 熔化金属可以通过填丝或自熔母材而形成。 钨极氩弧焊有以下一些 优点： 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。因此，电弧的热量损失少，电弧一旦引燃就能够稳定燃 烧；另一方面，钨棒本身不会产生熔滴过渡，弧长变化干扰因素相对较少。也有助于电

9、弧的 稳定燃烧。 焊接质量好 氩气是一种惰性气体， 它既不解于液态金属， 又不与金属起任何化学反 应；而且氩的相对原子质量较大，有利于形成良好的气流隔离层，有效地阻止氧、氮等侵入 焊缝金属，所以可成功地焊接易氧化、易氮化、化学性质活泼的有色金属、不锈钢等多种金 属材料。 适于薄板焊接、 全位置焊接以及不加衬边的单面焊双面成形工艺 即使是用几安培的 小电流，钨极氩弧仍能稳定燃烧，而且热量相对较集中，因此可以焊接厚度 0.3mm 的薄板； 采用脉冲 TIG 焊电源，还可进行全位置焊接及不加衬垫的单向焊双面成形焊接。 焊接过程易于实现自动化 TIG 焊的电弧是明弧，焊接过程参数稳定，易于检测及 控制

10、，是理想的自动化乃至机器人化的焊接方法，可提高生产效率。同时由于氩气在我国成 - 3 - 本较低，可有效降低生产成本。 焊缝区无熔渣 焊工可清除地看到熔池和焊缝成形过程， 便于操作， 容易观察熔池状 态，焊接过程稳定，而且焊缝致密，力学性能好，表面成形美观。 4. 焊接参数选择焊接参数选择 TIG 焊接参数主要包括：钨极和喷嘴直径、气体流速、弧长、电流、电压等。 钨极直径： 钨极直径的选用取决于焊件的厚度、 焊接电流的大小、 种类和电源的极性。 本课题研究中焊接 0.23mm 纯铜时选用直径为 1.6mm 的铈钨极，尖头磨成圆锥形。焊接纯 铝是选用直径为 1.6mm 的铈钨极，尖头磨成球形。

11、喷嘴直径： 气体保护区的大小是与喷嘴直径相关的。 喷嘴直径过大， 散热快， 焊缝宽， 在保证保护效果良好的情况下，随着喷嘴直径增大，气体流量也必须随之增大，因而造成氩 气浪费；喷嘴过小，保护效果变差，又容易被烧坏，满足不了大电流焊接要求。喷嘴直径一 般为钨极直径的 23 倍加 4mm（活泼金属铝及铝合金取系数 2.53.5）。喷嘴直径的确定 参考公式（1）： =（2.53.5）D+4mm （D 为钨极直径） （1） 则箔板 0.23 时，D=1.6mm，喷嘴内直径取 10mm。 气体流速：在保证保护效果良好的情况下，尽量减小气体流量，以降低成本。但流量 太小，喷出的气体硬度差，轻飘无力，容易受

12、外界气流的干扰，影响保护效果，同时电弧也 不能稳定燃烧，焊接中可以看到有氧化物在熔池表面漂移，焊缝发黑；流量太大，不但浪费 氩气，还会使焊缝冷却过快，不利于焊缝成形，同时形成紊流而卷入空气，破坏保护效果。 一般确定氩气流量参考公式（2）： Q=（0.81.2） ( 为喷嘴直径) （2） 则由 =10，取氩气流量 Q=12L /min 较为合适。 喷嘴至工件的距离和电弧长度： 在电极外伸出长度不影响操作前提下， 喷嘴至工件的 距离尽可能的小。 降低距离保护效果稳定可靠。 而且可相应减小气体流量以及抵抗侧向风能 力。电弧越长，焊接效果越差，反之越好（薄板焊接需用短弧焊），但容易使钨极碰到焊件， 产

13、生碰钨现象，使钨极损耗加快，可能使焊缝夹钨。试验取喷嘴至工件的距离 5mm 左右， 弧长 1.21.5mm。 钨极干伸长度：长度越大，效果越差，反之越好。一般为钨极直径的 1.52 倍。 焊接速度：焊速取决于工件材质和厚度，还应与焊接电流相配合，以保证熔深和熔宽 且不出现未熔合和烧穿。高速焊接时还要考虑焊速对气体保护效果的影响。焊速过大，保护 气流严重滞后， 可以使钨极弧柱和熔池暴露于空气中。 这时应加大气体流量， 以达良好效果。 焊接电流：焊接电流是 GTAW 自动焊最重要的工艺参数之一。根据经验， GTAW 自动焊工艺参数初步确定焊接 0.23mm 铜箔纵缝焊速为 811m/min 时焊接

14、电流 I=60100A。 5. 自动自动 TIG 焊接工艺的实施焊接工艺的实施 TIG 焊主要的工艺参数是电流和焊接速度及其关系； 本试验进行多次试验后比较焊接质 量并对参数分析得出较为合适的参数匹配。其工艺参数及焊接效果如表 1 所示。 - 4 - 表 1 铜的纵缝焊接工艺参数 焊接速度（m/min） 焊接电流（A） 实验效果 4 30 未焊透 4 35 未焊透 4 37 成形良好 4 40 焊穿 9 55 未焊透 9 60 未焊透 9 65 成形良好（见图 1） 9 70 焊穿 11 70 未焊透 11 80 未焊透 11 90 成形良好 11 95 焊穿 13 117 成形良好 16 1

15、29 成形良好 a焊缝外表面 b 焊缝内表面 图 1 焊接成形良好的焊缝（I=65A，V=9m/min） 由根据数据及焊接效果可以得出： 铜和铝的薄板焊接对焊接参数极为敏感。 可调的参数 范围极小。 焊接电流和焊接速度及两者的匹配是焊接过程关键参数。 焊接电流过小时或焊接 速度过快时，焊缝产生未熔合和未焊透；焊接电流过大或焊接速度慢时，焊缝会被烧穿。另 外平板时由于焊接速度较慢，电弧长度对焊缝成形质量影响也比较大。弧长过大时，氩气保 护效果不佳，电弧不稳定。弧长较短时，即钨极离工件距离较小。在焊接过程中，钨极易接 触工件发生短路。 6. 结论结论 通过金相试验焊接接头的各个区域进行了金相组织观

16、察， 结果表明： 两种焊接材料的焊 接接头的焊缝区为典型的树枝状晶的铸造组织，中心为等轴晶，靠近熔合线处为柱状晶。在 熔合区， 焊缝一侧为沿散热方向排列的柱状晶， 基材一侧为细小的等轴晶组织， 如图 2 所示。 - 5 - 图 2 接头的金相组织 通过实际生产验证，焊接速度达到 911m/min，焊缝均匀美观，产品质量均为 A 级。 参考文献参考文献 1 林清安.Pro /Engineer 2000 模具设计M .北京:北京大学出版社, 2001. 8：1-2. 2 Panagiotis Michaleris,Andrew Debiccari.A Predictive Technique for Buckling Analysis of Thin Section panels Due to WeldingJ.Journal of ship production.199