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1、碳钢与紫铜的焊接工艺研究摘要本文解释了碳钢和紫铜的概念，并作了简要说明，分析了碳钢与紫铜的焊接特点，提出可以通过调整焊缝的化学组成和控制线能量，正确选用焊接工艺参数以获得理想的焊接金相组织来解决产生气孔和裂纹，对于性质相差很大的碳钢和紫铜的焊接，可以在其结合部位的碳钢一侧表面上刷镀一层铜，从而改善焊接部位的性能。 英文摘要 this article explained the carbon steel and the red copper concept, and has given the briefing, has analyzed the carbon steel and the red
2、 copper welding characteristic, proposed that may through adjust welded joints chemical composition and the pilot wire energy, selects the welding process parameter to obtain the ideal welding Microstructure correctly to solve produces the blowhole and the crack, regarding the nature difference very
3、 big carbon steel and the red copper welding, may brush on its combining site carbon steel one side surface plates a copper, thus improvement welding position performance. 关键词碳钢；紫铜；焊接工艺；钎焊。 目录 1 封面 第 1 页 2 中文摘要 第 2 页 3 关键词 第 2 页 4 英文摘要 第 3 页 5 英文关键词 第 3 页 6 目录 第 4 页 7 引言 第 5 页 8 什么是碳钢 第 5 页 9 什么是紫铜？
4、 第 5 页 10 紫铜的焊接 第 7 页 11 碳钢与紫铜的焊接性 第 8 页 12 碳钢与紫铜的焊接工艺 第 11 页 13 结束语 第 14 页 14 参考文献 第 15 页 15 致谢 1引言 随着现代科学技术的发展，建造各种工程结构不仅需要对大量的金属材料进行焊接，也需要对非金属材料及异种金属材料进行焊接，碳钢与紫铜的复合结构在性能与经济上优优势互补而具有良好的应用前景，异种材料的焊接是工业生产中不可缺少的一门新技术。本文主要对碳钢与紫铜的焊接性能进行了分析，并针对焊接过程中将会遇到的问题提出可以通过调整焊缝的化学组成和控制线能量，正确选用焊接工艺参数以获得理想的焊接金相组织来解决产
5、生气孔和裂纹，对于性质相差很大的碳钢和紫铜的焊接，可以在其结合部位的碳钢一侧表面上刷镀一层铜，从而改善焊接部位的性能。 2 什么是碳钢 ？ 主要指力学性能取决于钢中的碳含量，而一般不添加大量的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢。 碳钢也叫碳素钢，指含炭量 WC 小于 2%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类，碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种；按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢； 按脱氧方法可分为沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和特殊镇静钢（TZ）； 按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC
6、 0.25%）,中碳钢（WC0.25%0.6%）和高碳钢（WC0.6%）； 按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。 一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，但塑性较低。 3 什么是紫铜？ 紫铜就是纯铜： 纯铜呈紫红色又称紫铜。纯铜密度为 8.96熔点为1083具有优良的导电性导热性延展性和耐蚀性。紫铜也就是纯铜,由于它的新鲜表面呈玫瑰色,氧化以后产生的氧化铜呈紫色,故称为紫铜.紫铜与其他金属相比,其导电性和导热性仅次于银,居第二位,它具有一定的强度和较好耐蚀性和良好的塑性,能加工成各种形状的半成品,用于电
7、气和耐蚀零件上. 各种牌号的紫铜的代号都以铜字汉语拼音的第一个字母T来表示,根据其杂质含量的不同,分别为 T1,T2,T3,T4. 紫铜的化学性质; 铜在 20 度时就能与氧起反应,使铜产生轻微的氧化,当温度达到 100 度时,铜表面就产生黑色的 CuO,随着温度的提高,铜的氧化速度迅速增加. 紫铜对大气的腐蚀很稳定,因为铜表面形成一层保护膜,可以防止铜的进一步腐蚀,在氧,硝酸及其他氧化性的酸中,在盐酸溶液中,均容易被腐蚀,氨,氰化物,汞盐,氯化物等溶液均能引起铜的剧烈腐蚀. 紫铜的机械性能; 紫铜的塑性较高,强度一般,紫铜的机械性能与温度的关系;紫铜的强度随着温度的升高而降低,塑性指标在 4
8、00-700 度之间出现低塑性区,当温度超过 700 度以后,塑性又开始提高. 紫铜的钎焊 1 非晶态铜基钎料对紫铜有优良的润湿性，且随着温度的升高，钎料的润湿性提高。 2 同一温度下，间隙较小时，剪切强度随着搭接间隙的增大而升高，当间隙达到某一值（约 0.15mm）时，剪切强度达到最大值，之后，随着搭接间隙的增大，剪切强度降低；对于不同的加热温度，最佳搭接间隙相近。 3 不同的加热温度下，加热时间存在一个最佳值。加热时间过长或过短都会降钎焊接头的低剪切强度。 4 用非晶态铜基钎料炉中钎焊紫铜，可以获得良好的钎缝显微组织，钎缝具有较高的剪切强度和良好的韧性。 5.2 钢与紫铜的焊接特点 5.2
9、.1 Fe 与 Cu 的原子半径、点阵类型、晶格常数及外层电子数都比较接近，这对钢与紫铜之间的焊接比较有利。但是，钢与紫铜的熔化焊接还有一定的难度，主要如下： (1).钢与铜的物理性能不同，熔点及线膨胀系数差异大。紫铜的线膨胀系数大，在焊接过程中会产生较大的焊接应力。 (2).铜的导热系数是钢的 8 倍多，熔池的冷却速度比钢要大得多，氢的扩散逸出和水的上浮条件更为恶劣，形成气空的敏感性增大。 (3).在焊缝或近缝区易产生热裂纹，影响接头的强度及气密性，这是焊接工艺中重点要解决的问题。由于钢与紫铜中含有定量的杂质，如氧、硫、磷等。在焊接过程叫，这些杂质元素易形成各种低熔点的共晶体和脆性化合物而存
10、于焊缝晶界处，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力，是焊缝产生热裂纹的主要原因。 此外，焊缝中的铁元素对热裂纹倾向的影响比较大。据有关资料介绍，当铁含量在 1043时，焊缝具有最好的抗裂性能。因此，控制焊缝的熔合比是相当重要的环节。 5.2.2.焊接要点 (1)合理控制焊接热循环，改善焊接应力状态和消除氧化物、硫化物以及低熔点共晶体的有害作用。具体地的方法就是采用热量集中的焊接方法，即:手工钨极氩弧焊接。另外可采焊前预热的办法。 (2).正确选择焊接材料，控制焊缝的化学成分，限制有害杂质的含量。 (3)拧制焊缝熔介比，以保证铁在焊缝中的含量在 1043之间，使焊缝具有良好的抗裂性能。 (4)采用
11、合理的接头型式，改善接头的工艺性能和抗裂性能。 (5)严格进行焊接前期处理。 低碳钢与纯铜焊接时采用纯铜作为填充金属材料，如焊条 TCu（T107）；钨极氩弧焊时，采用硅锰青铜 QSi3-1 焊丝。 5.3 碳钢与紫铜焊接时的主要问题 碳钢与紫铜焊接时的主要困难是在焊缝及熔合区易产生裂纹。实践证实，为了保证焊缝具有足够高的抗裂性能，焊缝中铁的质量分数以控制在 10%43%为宜 5.3.1 焊缝容易产生热裂纹 焊接碳钢与紫铜时，焊缝区容易产生热裂纹。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.由于在碳钢和紫铜中含有合金元素(如 Ni, Si, V 等)和杂质(如 O,S, P
12、 等)，因此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。氧在铜中的溶解度比在钢中小，高温时主要是以 C110, c+2()和 Fe( 的形式存在。在温度为 1200 O: -1065冷却时,能从铜液中析出(:u,n,并与铜形成(:u +Cuz()共晶体共晶点为!065),分布于晶界。由于共晶体的熔点比铜低 209(:，所以扩大了高温时的脆性温度范围,I I, 含 P 量 0.6%时，焊缝中会出现(:u,P 脆性化合物.焊接碳钢与紫铜时，焊缝，易形 成 FeS(熔点为 11899(: )，FeP 熔点为 1050 9f:)和(Fe+FeS )共晶体 (共晶点为 985 9C)。
13、这些化合物和低熔点共晶体，严重地削弱了金属在高温时的晶间结合力，焊缝区容易产生热裂纹。 另外，由于紫铜的线胀系数比碳钢大，而且导热性能好，所以焊接碳钢与紫铜时，常常采用较大的焊接热功率，因此热影响区增宽，使焊接接头承受较大的拉应力 5.3.2 近焊缝区产生渗透裂纹 焊接碳钢与紫铜时，近缝区产生渗透裂纹主要原因是由液态铜对钢有渗透作用和拉应力作用所造成的当焊缝开始冷却时，会在焊接接头中产生拉伸弹塑性变形，并随着不断冷却而增大。另外，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，容易浸润微观裂口的表面，并在毛细管效应的作用下，渗人微观裂口中。在整个渗
14、透过程中，还伴随有钢在铜液体中的熔解和铜沿钢的晶界进行扩散的过程。进人微观裂口中的铜沿晶界继续渗透，使晶界的表面性能降低，因此与铜液体相接触的晶界强度降低。这样，近缝区很容易产生渗透裂纹。 5.3.3 气孔倾向严重 焊接碳钢与紫铜时，如果熔池在高温时溶人了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中成为气孔。焊缝中氢主要来自工件表面的油污及铁锈、油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水，它们在高温下都能分解产生氢气。此外，碳钢与紫铜焊接过程中，还可能造成力学性能的下降。 5.3.4 焊接接头下降 焊接纯铜时，焊缝的导电性下降是常遇到的问题，主要原因是焊接过程中杂质的溶入及焊缝合金化。 6
15、碳钢与紫铜的焊接工艺 管壳式换热器的硬钎焊工艺一直是国内外换热器生产企业研究的热点和难题。因其钎焊接头较多，要保证产品质量，必须保证每一个钎焊接头都能可靠的连接。 本文首先对管壳式换热器碳钢管板与铜管接头的钎焊可行性进行了分析，其中包括材料的钎焊性和工艺的钎焊性两个方面。为降低生产成本，我们通过在碳钢管板表面镀铜的方法，尝试用铜磷钎料来解决钢与铜的钎焊问题，经过试验证，用铜磷钎料钎焊管壳式换热器是可行的。用铜磷钎料钎焊镀铜碳钢板与铜管的接头时，如果镀铜层薄，在钎缝和钢的界面上仍会存在脆性化合物。为了既防止脆性化合物的产生，又避免因镀铜层厚度增加而导致生产成本增加等负面因素，本文做 Cu86P7 7 钎料在镀铜碳钢板上的漫流试验和 Cu86P7 7 钎料钎焊不同镀铜层厚度碳钢板与紫铜管接头
