銅及銅合金

銅合金的制造

銅合金材料在運用于連接器的加工過程中，先是被加工成為薄片狀的板材，然后切成條帶形狀以適應后面的沖壓過程的需要。線材同樣應用于連接器中，但是在端子組件和其他類型的連接器中這樣的材料應用得很少。

圖4.1描述了一個典型的薄板和條帶銅合金的制造流程。此外在參考書目3中可以得到更詳細的描述。合金線材以同樣的方式制造但具有幾個顯著的特點：熱擠壓，軋制，和通過沖模的拉拔以改變熱軋制和冷軋制在板材中的應用，以及退火處理過程經常用于這種產品。

連接器技術之 4.1.1 銅合金的制造

??? 溶煉和鑄造 銅合金是最先用于可回收的商業應用的金屬之一，這是因為工業上能用經濟的辦法將銅合金中的雜質維持在一個較低的水平。溶煉常用于電溶爐之中而少見于銅合金在真空和惰性氣體下的溶煉和鑄造過程中。碳層能提供一足夠的保護。此外，利用真空或特殊的空氣環境將會很大的增加合金制造的成本。

氫、氧和碳的污染影響由溶煉過程和熱力學方法來平衡其溶煉層進行控制，其中氫能溶解于銅，氧能與銅和一些合金元素形成氧化物，而碳能與有碳化物組分的合金起反應。溶煉控制包括純電解陰極銅和有選擇的兼容合金碎屑。當一些純組分如鎳、錫、硅或起支配作用的合金如磷、鈹、和鉻合金組分增加時，都會引起合金成份改變。

板材鍛造的制造過程是從不連續的鑄造成大矩形橫截面金屬錠或薄鑄片開始的。前述大金屬錠的典型尺寸為約150 毫米厚，300 到900 毫米寬，并且經過熱軋制處理以有效的減少其厚度并消除在鑄造過程中殘余的鑄造微片。另一種鑄造方法是薄鑄片(常用于窄條狀鑄造材料)，其典型的尺寸是約15 毫米厚，150 到450 毫米寬，這些薄鑄片將直接轉到冷軋過程之中。選擇條形鑄造是基于經濟上的考慮因素(熱研磨需要較高的資金成本)以及合金的特性(一些銅合金不容易在熱條件下工作)。

前述半連續且大的金屬錠在鑄造過程中垂直利用一個中空水冷的銅模，在開始時此銅模的下底部被封住。溶化的金屬實際上并未象圖4.1中所示的直接進入溶模。此溶化的金屬通過一流槽及分配系統進入溶模，分配系統能通過一陶制閥系統控制金屬的流量。底關閉部從溶模中降低，此時形成一穩定的固體外殼以容納溶化的金屬。鑄造將繼續進行直到一直冷(DC)金屬錠形成以足夠熱軋制的長度。直冷(DC)金屬錠處理的經濟上的優點是幾個金屬錠可當溶爐中的溶化金屬加入相鄰的溶模時同時形成。此外接著通過熱軋制在厚度方面的分離是一個快速有效的方法，盡管在軋制以前要經過重新加熱。

水平方向進行的條狀鑄造將會產生呈盤旋狀的薄片，此薄片的厚度是與冷軋中第一次分離的軋磨容易相配合的。薄片在制造中被切成盤旋狀而不影響其鑄造過程。鑄造后的表面將會重新研磨加工以形成高的表面精度。錫青銅大多數情況下用于條狀加工是因為其較差熱環境下的工作性能，而黃銅可廣泛用于熱軋制中的大部分應用范圍，一些合金制造商還將其用于條狀鑄造加工中。

連接器技術之 4.1.1 銅合金的制造

??? 熱軋制 直冷錠在幾小時之內加熱以用于特殊合金溫度的需要，這樣就能通過回動研磨將其從25?150 毫米的厚度減少約10?25 毫米。在熱軋制中快速減少其厚度是可能的，因為其溫度變化可使合金快速再結晶而不是硬化。典型的預熱溫度是從850 到950℃。溶爐環境能有效的將氧化過程減小到中性的程度。此階段形成的氧化物對其要求并不嚴格，因為現有的熱軋制片將會在研磨中把表面氧化物及缺陷部清除。此外更重要的是熱處理抹掉了紋理粗糙的鑄造結構，這樣就能達到均勻和較好的效果。

當熱軋制完成后，而在水噴淬火及盤卷之前時軋薄片的溫度大約在600℃左右。接著是用機械方法去除熱軋制后的表面和邊緣，此后合金片將要經過一系列的冷軋和退火處理以降低其表面粗糙度，其中退火處理能提高紋理的微觀結構、促進其均勻性并得到所需的性能。

連接器技術之 4.1.1 銅合金的制造

??? 冷軋過程 經過制造商與一系列的軋制和退火加工相配合的冷磨處理之后將會得到一性能均勻和尺寸均勻重達1000 公斤的盤卷片。分離軋制過程在處理中的厚度可利用前后安排的四高研磨(four-high mill)(其中兩加工軋制由一大直徑的回程軋制)，以及獨立，回程研磨。非常普遍的是通過一系列的研磨后過程可以得到最后的厚度和性能(如已知的Sendzemir研磨，其加工軋制是經過幾組軋制實現的)大尺寸的厚度是通過接觸計量器的盤旋長度來監測和控制，小尺寸的微觀厚度是通過X-射線或伽瑪射線來度量。線張力和軋制形狀在軋制過程中可以調整以提供一均勻的條狀尺寸。

連接器技術之 4.1.1 銅合金的制造

??? 退火 冷軋可減少條狀厚度面增加合金強度但同時也降低了其延展性。有效加工過程中的持續性需要在加工過程中的薄片在其中的幾處通過退火處理孌軟。退火過程中的變軟驅動力是軋制變形過程中存儲能量的釋放。新的紋理是從變形紋理中成形的，并且其尺寸也同時增加。至新紋理處的延伸是允許增加的，因為在成型性和強度上需要更好的紋理微觀結構，此延伸是由退火溫度及持續時間的選擇決定的。

銅合金的退火是在同一溶爐的不同盤旋片中進行的，其溫度將保持幾個小時當開放的盤旋薄片通過一退火溶爐(請參照圖4.1)。每一退火方法都有其優點和局限。成批退火其側重點在于加重的前末端處理厚度；通過鍍層厚度處理的退火能達到更大的靈活性，并且每一種方法之間可以相互替換。整爐退火處理是位于一可移動、類似鐘形的內腔之中進行，且此內腔的下部封閉。在內腔的盤旋片是通過處于低氧和低濕度的氮或氮-氫成分的氣體來防止其被氧化。而上述的氣體在內腔快速循環。此內腔又被一更大的可移動的外部空腔所包圍，以收容此加熱源(燃燒氣體或電加熱)。內部鐘形腔內的溫度從250℃(一般用于純粹的銅)到約650℃(用于一些銅合金)。表面質量是由被覆物所保持，而此被覆物可防止線圈之中包裹物的粘貼。殘余的被覆物在之后的清除加工過程中將被去除。

合金線圈將在一到兩個小時內達到均勻的溫度，然后其設在一定溫度并保持幾個小時。通過去除了外層的容腔后退火的冷卻速度將會加快。內部容腔及其內部的保護氣體成分將一直保持到金屬完全冷卻，以避免其受到氧化。線圈的連續退火可利用將薄片(sheet)通過溶爐而實現，此溶爐還包括有一燃燒室以通過直接接觸來對金屬進行加熱。氧化可通過控制氣體成分來減少。對如圖4.1中所安排的垂直溶爐來說，板材通過一頂端封閉部進入加熱區，并且其冷卻是利用沖擊氣體在從下端封閉部退出前進行。板材在低于出口部的水中淬火。排列成一直線的酸清洗和研磨刷將會在板材被盤卷之前完成，而此過程位于溶爐線之末端。

氫氣是從壓縮的氨水中提煉出來的，它可與氮氣混合在一起而不發生化學反應。使用這些干凈氣體的火爐除了可能水平放置并且具有更高的防止外面空氣進入的密封裝置外，具有與普通燃燒爐同樣的特性，該火爐通常是在近似標準大氣壓下工作的。薄片(sheet)被外部的熱蒸餾瓶(retort)或者火爐內部自配的電加熱組件加熱升溫。薄片(sheet)在進入大氣前被噴出的氣體冷卻。

在退火過程中，銅合金氧化被減少到了最低點，但是它是不能完全避免的。氧化的程度及形成的氧化物的耐火性依賴于合金組成成分同保護氣體發生氧化反應的活性。非合金的銅和黃銅抗氧化能力相對強一些，因為退火溫度低并且由于熱力學原因，殘余的氧化物及用于降低氣壓的露點形成控制要求是適度的。合金氧化物具有很活潑的元素，如金皮或鋁，在商業許可的環境中不能逃避被氧化。酸浸(Acid pickling)(包括稀釋的可與過氧化氫反應而生成更具腐蝕性物質的硫酸)和研磨刷及拋光被廣泛地應用于確保不會引起印刷工具不可接受的磨損的高質量表面和材料。

連接器技術之 4.1.1 銅合金的制造

??? 后處理 合金型材制造的最后工藝－退火是相當關鍵的，因為這一步形成了一種材料以達到需要的性質。進行后續退火處理材料的厚度依賴于硬化合金以達到所需的強度或生成調劑的冷軋的次數。本節后續部分提供了冷軋選定合金的例子。為了提高合金材料的性能或降低內部殘渣的彈性伸縮率，材料治煉過程常包括低溫退火工藝。

為了消除片狀材料的彎曲或提高其整個面板的平整度，片狀材料可能在最后工序被拉緊撫平。拉緊撫平包括整塊材料向相反方向順序彎曲，嚙全碾平，片狀料板在拉力作用下同時保持平整。內部綱孔的數量在條料寬度各段會有所變化。來于內部紡織翻轉和拉伸的反向彎曲的聯合效應引起片狀材料塑性變形并局部形成更好的配合鄰接區域。片狀材料中心處更多的塑性變形導致消除由轉曲遺留的長邊緣的皺形。延長邊緣的水平裝置用作消除中等寬度的彎曲。彎曲生產過程被設計來生產可能的最平的長條材料，該材料僅用于必要的更重要的場合。

被加工成寬度介于250mm 至800mm的薄料最終要用裝在合適位置的轉刀將之切開并壓在沖模寬度。最終沖壓件被象包扎薄餅似地輕輕地包裝以便于運輸。

銅及銅合金的焊接工藝

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鋼與銅及銅合金焊接時的主要困難是在焊縫及熔合區易產生裂紋。實踐證實，為了保證焊縫具有足夠高的抗裂性能，焊縫中鐵的質量分數以控制在10%～43%為宜。

⑴焊接方法及焊接材料??低碳鋼與銅及銅合金焊接時，可以分別采用手弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊。低碳鋼與純銅焊接時采用純銅作為填充金屬材料，如焊條TCu（T107）；鎢極氬弧焊時，采用硅錳青銅QSi3-1焊絲。低碳鋼與硅青銅、鋁青銅焊接時，可采用鋁青銅作填充金屬材料。不銹鋼與銅焊接時，采用鎳或鎳基合金作填充金屬材料。

銅和鋁的熔點相差達423℃，很難同時熔化，在熔池中會產生脆性化合物AlCu2、Al2Cu3、AlCu、Al2Cu等。當銅鋁合金中含銅量在12%～13%以下時，綜合性能最好，所以常采用鋁焊絲。

銅-鋁接頭的埋弧焊見圖7-19。為加速銅的熔化，焊絲應偏離銅板坡口上緣0.5～0.6δ(δ為焊件厚度)。銅側開半∪形坡口，鋁側為直邊，坡口中預置ф3mm的焊絲。當焊件厚度為10mm時，焊絲直徑2.5mm，焊接電流400～420A，電弧電壓38～39V，送絲速度332m/h，焊接速度21m/h。焊后，焊縫金屬中銅的質量分數8%～10%為符合要求

銅具有優良的導電性、導熱性、耐腐蝕性、延展性及一定的強度等特性。在電氣、電子、化工、食品、動力、交通及航空航天工業中得到廣泛應用。在純銅（紫銅）中添加10余種合金元素，形成固溶體的各類銅合金，如加鋅為黃銅；加鎳為白銅；加硅為硅青銅；加鋁為鋁青銅等等。

? ? 銅及銅合金可用釬焊、電阻焊等工藝方法實現連接，在工業發達的今天、熔焊已占據主導地位。用焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊等工藝方法容易實現銅及銅合金的焊接。

? ? 影響銅及銅合金焊接性的工藝難點主要有四項元素：一是高導熱率的影響。銅的熱導熱率比碳鋼大7~11倍，當采用的工藝參數與焊接同厚度碳鋼差不多時，則銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合。二是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時，熔池內銅與其中的雜質形成低熔點共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產生熱裂紋。三是產生氣孔的缺陷比碳鋼嚴重得多，主要是氫氣孔。四是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等。

1、紫銅的焊接

焊接紫銅的方法有氣焊、手工碳弧焊、手工電弧焊和手工氬弧焊等方法，大型結構也可采用自動焊。

（1） 紫銅的氣焊

焊接紫銅最常用的是對接接頭，搭接接頭和丁字接頭盡量少采用。氣焊可采用兩種焊絲，一種是含有脫氧元素的焊絲，如絲201、202；另一種是一般的紫銅絲和母材的切條，采用氣劑301作助熔劑。氣焊紫銅時應采用中性焰。

（2）紫銅的手工電弧焊

??在手工電弧焊時采用紫銅焊條銅107，焊芯為紫銅（T2、T3）。焊前應清理焊接處邊緣。焊件厚度大于4毫米時，焊前必須預熱，預熱溫度一般在400~500℃左右。用銅107焊條焊接，電源應采用直流反接。

??焊接時應當用短弧，焊條不宜作橫向擺動。焊條作往復的直線運動，可以改善焊縫的成形。長焊縫應采用逐步退焊法。焊接速度應盡量快些。多層焊時，必須徹底清除層間的熔渣。

??焊接應在通風良好的場所進行，以防止銅中毒現象。焊后應用平頭錘敲擊焊縫，消除應力和改善焊縫質量。

（3）紫銅的手工氬弧焊

??在紫銅手工氬弧焊時，采用的焊絲有絲201(特制紫銅焊絲)和絲202，也采用紫銅絲，如T2。

? ? 焊前應對工件焊接邊緣和焊絲表面的氧化膜、油等臟物都必須清理干凈，避免產生氣孔、夾渣等缺陷。清理的方法有機械清理法和化學清理法。

??對接接頭板厚小于3毫米時，不開坡口；板厚為3～10毫米時， 開V型坡口，坡口角度為60~70o； 板厚大于10毫米時，開X型坡口，坡口角度為60~70o；為避免未焊透，一般不留鈍邊。根據板厚和坡口尺寸，對接接頭的裝配間隙在0.5～1.5毫米范圍內選取。

??紫銅手工氬弧焊，通常是采用直流正接，即鎢極接負極。為了消除氣孔，保證焊縫根部可靠的熔合和焊透，必須提高焊接速度，減少氬氣消耗量，并預熱焊件。板厚小于3毫米時，預熱溫度為150~300℃；板厚大于3毫米時，預熱溫度為350~500℃。預熱溫度不宜過高，否則使焊接接頭的機械性能降低。

還有紫銅的碳弧焊，碳弧焊使用的電極有碳精電極和石墨電極。紫銅碳弧焊所用的焊絲和氣焊時一樣，也可用母材剪條，可用氣焊紫銅的助熔劑，如氣劑301等。

2、黃銅的焊接

黃銅焊接的方法有：氣焊、碳弧焊、手工電弧焊和氬弧焊。??

（1）黃銅的氣焊

??由于氣焊火焰的溫度低，焊接時黃銅中鋅的蒸發比采用電焊時少，所以在黃銅焊接中，氣焊是最常用的方法。

??黃銅氣焊采用的焊絲有：絲221、絲222和絲224等，這些焊絲中含有硅、錫、鐵等元素，能夠防止和減少熔池中鋅的蒸發和燒損，有利于保證焊縫的性能和防止氣孔產生。氣焊黃銅常用的熔劑有固體粉末和氣體熔劑兩類，氣體熔劑由硼酸甲脂及甲醇組成；熔劑如氣劑301。

（2）黃銅的手工電弧焊

??焊接黃銅除了用銅227及銅237外，也可以采用自制的焊條。

??黃銅電弧焊時，應采用直流電源正接法，焊條接負極。焊前焊件表面應作仔細清理。坡口角度一般不應小于60~70o，為改善焊縫成形，焊件要預熱150~250℃。操作時應當用短弧焊接，不作橫向和前后擺動，只作直線移動，焊速要高。與海水、氨氣等腐蝕介質接觸的黃銅焊件，焊后必須退火，以消除焊接應力。

（3）黃銅的手工氬弧焊

??黃銅手工氬弧焊可以采用標準黃銅焊絲：絲221、絲222和絲224， 也可以采用與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。用交流焊接時，鋅的蒸發比直流正接時輕。通常焊前不用預熱，只有板厚相差比較大時才預熱。焊接速度應盡可能快。焊件在焊后應加熱300~400℃進行退火處理，消除焊接應力，以防止焊件在使用過程中裂縫。

（4）黃銅碳弧焊

? ? 黃銅碳弧焊時，根據母材的成分選用絲221、絲222、絲224等焊絲，也可用自制的黃銅焊絲施焊。焊接可以采用氣劑301等作熔劑。焊接應短弧操作，以減少鋅的蒸發和燒損。?

? ? 直流TIG焊工藝方法廣泛應用于銅及銅合金的焊接，焊風成型好，內外質量優良，在氬氣的保護下，熔池純凈，氣孔少，熱裂影響小，操作易掌握。厚度≤4mm時可不用焊前預熱，直接用氬氣預熱，待熔池溫度接近600℃時，可加填充焊絲熔化母材，實現焊接。厚度大于4mm的銅材，純銅應預熱400—600℃。銅合金焊接預熱200—300℃。300TSP，315TX直流TIG焊機可焊接純銅、硅青銅、磷青銅、黃銅、白銅等銅合金。300WP5、300/500WX4交直流兩用TIG焊機可用交流TIG焊接鋁青銅（用交流方波清除表面氧化膜）及用直流TIG焊接上述銅材。

? ? 近年來，采用MIG方法焊接銅及銅合金的施工越來越多，尤其對于厚度≥3mm的鋁青銅、硅青銅和白銅最好選用MIG焊方法。厚度3~14mm或>14mm的銅及銅合金幾乎總要選用MIG焊，因為熔敷效率高、熔深大、焊速快（一般為TIG焊的3~4倍），實現高效、優質、低成本的經濟效益要求。銅材施焊前均應達到預熱溫度要求（純銅400~600℃，銅合金200~300℃），焊絲與母材化學充分相似，氬氣純度≥99.98%。

?? ? ? ? 1、黃銅的焊接性? ?黃銅是銅鋅合金，由于鋅的沸點較低，僅為907℃，故焊接過程中極容易蒸發，這一點成為黃銅焊接的最大問題。在焊接高溫作用下，焊條電弧焊時鋅的蒸發量高達40%，鋅的大量蒸發，導致焊接接頭的力學性能和耐蝕性能下降，還使之對應力腐蝕的敏感性增大。蒸發的鋅在空氣中立即被氧化成氧化鋅，形成白色的煙霧，給操作帶來很大困難，而且影響焊工身體健康，因此，焊接黃銅的場所，應加強通風等防護措施。黃銅的焊接性不良，焊接時會產生氣孔、裂紋、鋅的蒸發和氧化等問題。為了解決這些問題，在焊接時常用含硅的焊絲，因為硅在熔池表面會形成一層致密的氧化硅薄膜，阻礙鋅的蒸發和氧化，并防止氫的入侵。焊后可經470～560℃的退火處理，以消除應力防止“自裂”現象。

2、黃銅的焊接方法? ?生產中常用的焊接黃銅的方法是焊條電弧焊和氬弧焊等，其工藝要點如下：

（1）??焊條電弧焊??焊條采用青銅芯焊條，如ECuSn-B（T227）、ECuAl-C（T237）。補焊要求不高的黃銅鑄件可采用純銅芯焊條，如ECu（T107）。電源采用直流正接，V型坡口角度不應小于60°～70°。板厚超過14mm時，焊前焊件表面應仔細清理，清除一切會產生氫氣的油類雜質。

操作時應當用短弧焊接，焊條不做橫向和前后擺動，只沿焊縫的直線移動。焊接速度要快，不應低于0.2～0.3m/min。多層焊時，層與層之間的氧化膜及渣應清除干凈。黃銅的銅液流動性大，故溶池最好處于水平位置，若溶池必須傾斜，則傾角不應大于15°

（2）??氬弧焊??手工鎢極氬弧焊時，焊絲采用錫黃銅焊絲HSCuZ-1（HS221）、鐵黃銅焊絲HSCuZn-2（HS222）、硅黃銅焊絲HSCuZn-4（HS224）。這些焊絲含鋅較高，焊接時煙霧較大。亦可用青銅焊絲HSCuSi（HS211）、HSCuSn（HS212）。手工鎢極氬弧焊焊接黃銅的焊接參數見表。

? ?? ?? ?? ?? ? 手工鎢極氬弧焊焊接黃銅的焊接參數

材料

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板厚/mm? ? ? ???

坡口形式? ? ? ???

鎢極直徑/mm? ? ? ? 電源種類及極性? ? ? ???

焊接電流/A? ? ? ???

氬氣流量/（L/min）? ? ? ???

預熱溫度/℃

普通黃銅? ? ? ???

1.2? ? ? ???

端接? ? ? ???

3.2? ? ? ???

直流正接? ? ? ???

185? ? ? ???

7? ? ? ???

不預熱

錫黃銅? ? ? ???

2? ? ? ???

V型? ? ? ???

3.2? ? ? ???

直流正接? ? ? ???

180? ? ? ???

7? ? ? ???

不預熱

由于鋅的蒸發破壞氬氣的保護效果，所以焊接黃銅時應選用較大的噴嘴孔徑和氬氣流量。焊前一般不預熱，只有焊接厚度大于10mm的接頭和焊接邊緣厚度相差比較大的接頭時才需預熱，后者只預熱焊件邊緣較厚的部分。

??電源可采用直流正接，也可以采用交流。用交流電源焊接時，鋅的蒸發量較小。焊接參數宜采用較大的焊接電流和較快的焊接速度。厚16～20mm黃銅板的焊接參數為：焊接電流260～300A，鎢極直徑5mm，焊絲直徑3.5～4.0mm，噴嘴孔徑14～16mm，氬氣流量20～25L/min。

??為了減少鋅的蒸發，操作時可將填充焊絲與焊件“短接”，在填充焊絲上引弧和保持電弧，盡可能避免電弧直接作用到母材上，母材主要靠熔池金屬的傳熱來加熱熔化。焊接時，應盡可能進行單層焊，板厚小于5mm的接頭，最好能一次焊完。

??焊后焊件應加熱到300～400℃進行退火處理，消除焊接應力，以防止黃銅構件在使用時破裂。

銅和銅合金焊接工藝要點

一、是高導熱率的影響。銅的熱導熱率比碳鋼大7~11倍，當采用的工藝參數與焊接同厚度碳鋼差不多時，則銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合。

二、是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時，熔池內銅與其中的雜質形成低熔點共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產生熱裂紋。

三、是產生氣孔的缺陷比碳鋼嚴重得多，與要是氫氣孔。

四、是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等。

銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的特性和分類

銅具有很高的導電性、導熱性和良好的塑性，有較高的低溫強度和延伸率。因此，它廣泛地應用在工業上制造導體、火焰導管、散熱器和冷凝器等。在銅中加入鋅、鋁、錫等合金元素，形成各種銅合金。

銅及銅合金的分類，習慣上是按其表面顏色來分類的。

紫銅，又叫紅銅，是指純銅。工業純銅以字母“T”表示，依其所含雜質多少，分為四個等級。

黃銅，是指銅鋅合金。它的導熱、導電性比純銅差，但其強度、硬度和耐蝕性都比純銅高，而且價格便宜。經常用于耐低溫和耐氣蝕零部件的制造。黃銅以字母“H”表示。在“H”后面的數字，代表銅的百分數，其余為鋅。如“H62”，表示銅含量為62%的黃銅。

銅及銅合鑫的焊接特點

使用火焰功率大

由于銅及銅合金導熱性強（如純銅導熱系數比低碳鋼大八倍）。因此，焊接時要采取比焊低碳鋼大的火焰功率。厚大工件還必須預熱，否則基本金屬難以熔化，產生未熔合現象。

變形大

由于銅及銅合金線膨脹系數和凝固收縮率較大，因此工件焊后易產生嚴重變形。對于剛度大的工作，內應力增大，使接頭脆弱部分發生裂紋。內應力的存在是黃銅“自裂“的原因。

易產生氣孔

銅及銅合金焊接易產生氣孔的原因有兩個：

由于銅在液態時溶解氫較多，但在凝固和冷卻過程中，氫在銅中的溶解度卻大大減少。過剩氫來不及逸出，則往往合焊縫或近縫區產生氣孔或在金屬內部造成很大壓力，促使形成裂紋。

熔池中的氫或一氧化碳與氧化亞銅反應，生成水蒸氣和二氧化碳不溶于銅液。在凝固時如未能全部逸出，便形成氣孔或促使裂紋產生。

易產生裂紋

由于銅在液態時容易氧化，生成氧化亞銅，氧化亞銅與銅形成低熔點的脆性共晶體，造成偏析或存在于晶粒邊界；由于上述內應力大或氫、水蒸氣和二氧化碳造成的壓力存在，因此，銅及銅合金的焊接，易產生裂紋。

合金元素的氧化和蒸發

銅合金中的合金元素不，一般比銅更易氧化。合金元素的燒損，降低了接頭的機械性能，贊成焊接過程的困難。如焊接鋁青銅時，鋁氧化后生成難熔氧化鋁，使熔池表面的熔渣發粘，阻礙基本金屬和熔滴很好地熔合，容易生成氣孔和夾渣。焊接錫青銅時，錫氧化后在焊縫中形成脆硬的氧化錫夾雜物，降低焊縫的抗蝕性。

黃銅中的鋅沸點你（906℃），在焊接過程中極易蒸發，在空氣中形成白色霧狀的氧化鋅。鋅的燒損不僅降低了接頭的機械性能和抗蝕性，而且氧化鋅煙霧會引起焊工嚴重的慢性中毒。

銅及銅合金焊接的主要措施

通過銅及銅合金焊接特點分析，我們可以知道在銅及銅合金的焊接中，防止氧化和氫的溶解是主要問題。因此，我們采用含有脫氧劑（如磷、硅、錳）的焊絲，能溶解氧化銅生成的熔渣的銅焊粉；去除工件和焊絲吸附的水分，并采取焊前預熱等措施。

紫銅的氣焊

接頭型式和坡口制備

紫銅焊接最常用的是對接接頭，并根據基本金屬厚度不同制備相應的坡口，坡口特點是無鈍邊。

焊絲和焊粉的選擇

焊絲可選用含有脫氧劑的標準焊絲，如絲201和絲202，也可用一般紫鈾絲或基本金屬剪條，焊絲直徑要比焊同樣厚度的碳鋼所用焊絲粗1/3。焊粉可選標準焊粉301。

焊炬和火焰的選用

如前所述，純銅導熱性高，應選用較大功率火焰。焊接火焰應嚴格采用中性焰。氧化焰會因銅的氧化，使焊縫溶氫量增加，也會產生氣孔和裂紋。

焊前清理和定位焊

焊前使用鋼絲刷或細砂布清理工作和焊絲表面的臟物，露出金屬光澤。定位焊時，坡口間隙比低碳鋼稍大0.5—1毫米，焊點較密。

預熱和焊粉使用

焊前預熱是去除工件和焊絲吸附水分，延緩熔池冷卻速度，防止氣孔和裂紋產生的有效措施。中小件的預熱溫度為400—500℃。達到此溫度的標志是紫銅表面起波發黑，或者用木棍在焊件預熱處劃一下，木棍端部被燒黑，劃時覺得表面發滑。厚大工件的預熱溫度是600—700℃。達到此溫度時，紫銅呈暗紅鈀。對于厚度5毫米的銅板，可用另外一套焊炬預熱。

焊粉的使用往往和預熱連續在一起，在預熱前，用焊炬加熱焊絲，使其加熱后沾上一層焊粉。當工件達到預熱溫度后，再向接頭處灑上一層薄薄的焊粉，準備焊接。

左、右焊法的確定

焊件厚度小于5毫米的，采用左向焊法。大于5毫米的，采用右向焊法。為了保證熔透并填滿坡口，可將焊件一頭墊起，造成傾斜約為10°的上坡焊。

操作要點

為了減少銅的高溫氧化，一般火焰的焰心末端離焊件表面比低碳鋼稍高，為4—6毫米。

熔池形成溫度控制。看到坡口處熔化液體冒泡，說明溫度還未達到，至銅水發亮無氣泡時，則可投入焊絲進行焊接。在這之前要不斷用沾有焊粉的焊絲向焊接處熔敷焊粉。

因為銅液流動性大，焊炬運動要快，火焰圍繞熔池上下左右運動、劃圈、靠火焰的吹力，防止銅液四散。

厚度小于5毫米的焊件，為減少熱影響區粗晶組織，應一次焊完。厚度大于5毫米的焊件，焊第二遍前要進行清理，否則焊接時會出現發渣、粘稠、氣孔等現象，使焊接無法進行。

開始和收尾時焊炬與工件的夾角，和焊碳鋼件相似，至于焊接次序，對于非封閉焊縫，也應從中間向兩端施焊。

焊后處理

對于板厚小于5毫米的工件，焊后可立即用小錘輕輕敲擊焊縫，以提高機械性能，疏散應力，碾死氣孔，防止裂紋產生。

對于板厚大于5毫米的工件，可將焊縫加熱到400—500℃，然后在熱態下錘擊。為改變熱影響區粗晶組織，可將接頭加熱至暗紅色（600—700℃），然后在水中急冷。

黃銅的氣焊

由于氣焊的火焰溫度低，焊接時黃銅中鋅的蒸發比采用電焊時少，所以在黃銅焊接中，氣焊是最常用的方法。

焊絲和焊粉

焊絲采用絲221、絲224。這些焊絲中的硅、錫、鐵元素既是脫氧劑，防止焊縫產生氣孔，又能防止和減少鋅的蒸發和燒損，有利于保證焊縫的機械性能。不重要的焊縫也可用基本金屬切條作焊絲。

氣體熔劑，由硼酸甲醇的混合液（沸點55℃）揮發而成。由乙炔帶入火焰中與氧反應生成硼酐（B2O3）、二氧化碳和水蒸氣。硼酐凝結到基本金屬及焊絲上。焊接時產生強烈脫氧作用，與氧化物生成硼酸鹽，以鹽膜狀態浮在熔池表面，能有效地防止鋅的蒸發。氣體熔劑已成功地應用于黃銅的焊接和堆焊上。

火焰性質

預熱時采用中性火焰，以免工件表面氧化。而焊接時應采用輕微氧化焰，這是因為輕微氧化焰雖然燒損一部分鋅，使熔池表面形成一層氧化鋅薄膜（熔點1800℃），但它支能防止 熔池中的鋅大量蒸發。輕微氧化焰到何種程度為宜，一般是對好中性焰后，用手稍微調一下氧氣調節閥，聽到有“吃、吃”聲就可以了。

焊粉的使用方法

一般不將焊粉灑在工件上。為了節省沾焊粉時間，將焊粉倒入長槽中，再把用焊炬加熱的焊絲橫放在焊粉中滾動，使焊絲表面沾上一層焊粉（約為0.5—1毫米厚），然后排列在傾斜的架子上，以備使用。

操作要點

焊炬上下跳動，不作橫向擺動。焊速較快。其它與紫銅氣焊相同。

高壓氧槍MIG的銅鋼焊接工藝

摘要

高壓氧槍是鋼鐵公司煉鐵設備中的重要不見，其部件中間管道走氧氣往爐內加氧，外管是水循環管道，前頭材料用純銅鑄造，銅導熱率高，耐高溫，散熱快，后面銅管和鋼焊接，形成一個氧氣槍頭。鋼的另一頭與設備焊接。

但其銅鋼焊接時易產生氣孔、裂紋等技術性問題，其成品率較低。針對這一問題，我們從焊接方法入手，選擇加熱，保溫MIG焊的工藝進行試驗，取得了成功，并在生產中取得了較好的經濟效益。

高壓氧槍主要用于煉鐵高爐的加氧助燃，其工作環境惡劣，熱輻射較強，為取得較好的導熱率，延長氣使用壽命，產品要求焊接后進行車床加工，焊口車平，光滑。水壓試驗1.5-2.0MPa,及著色、探傷、檢驗、X光探測等。

焊接工藝分析

銅鋼的焊接性分析

難融合、焊縫成型能力差。

銅的導熱率在20℃時比鐵大7倍多，1000℃時大11倍多。焊接時熱量迅速從加熱區傳出去，使加熱范圍擴大，焊接區難以達到熔合溫度，母材和填充材難熔合。同在熔化溫度時，表面張力比鐵小1/3，流動性比鋼大1-1.5倍，因此表面成型能力差。

焊接應力和變形差。

銅的線膨脹系數和變形比鋼大15%，而收縮率比鋼大一倍以上，再加上銅導熱能力強，焊接時的大功率熱源會使熱影響區加寬，若工件剛度不大，則產生變形大；若剛度過大則產生較大的焊接應力。

易產生氣孔，裂紋。

銅與鋼焊接時焊縫產生氣孔和裂紋，主要來源于焊材中（保護氣，母材、焊絲及空氣的入侵）的氫和水氣。

焊接方法的選擇

氣焊由于效率低，大工件要求強度高，無法滿足，不宜采用。

焊條電弧焊由于焊縫質量差，勞動條件差等缺陷也不宜采用。

TIG焊因焊接電流小，而氧槍類工件壁厚，要求的預熱溫度高，勞動條件惡劣，焊工無法靠近施焊區，不宜采用。

MIG焊有焊接效率高、相同電流下熔深大、焊接速度快、焊接變形小等特點，基本上克服以上三種焊接方法的缺點，是首選的焊接方法。

焊接材料的選擇

焊絲和焊劑的選擇

由于純銅在焊接時易出現氣孔，與鋼焊接易出現熱裂紋和焊不透，選用焊絲時除了滿足對焊絲的一般工藝、冶金要求，最重要的是雜質的含量和脫氧能力。所以我們選用含脫氧元素的紫銅特制焊絲，即HSCUS201,直徑2.0MM。

焊劑的作用是防止熔池金屬氧化和其他氣體侵入并改善金屬的流動性。經過實驗對比我們選用了CJ301熔劑。工件清理干凈后，取適量CJ301粉狀熔劑倒入容器內，用乙醇調成糊狀，涂刷于焊接工件的坡口及兩側各30MM范圍內。

保護氣體的選擇

在氬弧中，電弧電壓和能量密度較低，電弧燃燒穩定，飛濺極小，成型效果好，故選用99.99%氬氣。

四）工件坡口的設計

氧槍頭部是純銅鑄造，壁厚為14MM，后部為鋼管，壁厚是14MM，組合后形成一個封閉的內腔，無法采用x型坡口。我們采用V型坡口，坡口加工成如圖1所示。這種坡口形式避免了焊接時另外加附襯板使水道減小及銅（CU）液從焊縫背面流失、焊穿等缺陷。

圖一

五）焊前準備

組對清洗：用丙酮或汽油清除坡口兩側50MM范圍內的油污、水分及附著物。用鋼絲輪清除此范圍內的氧化層，直至表面露出金屬光澤。進行組隊時，用三點組隊法，點焊均勻，防止變形拉裂，然后安裝在變位機的焊接工裝上。

用CJ301焊劑把酒精調成糊狀，均勻涂刷在工件坡口及兩側30MM范圍，進行預熱，使工件獲得足夠的熱量，減小焊接應力，防止熱裂紋。預熱溫度為400-450℃。需要說明的是進行MIG焊前，需要TIG焊打底焊一遍，因為MIG焊易焊穿及熔合不透。同時和焊接工藝參數配合。參數如下：

六）焊接工藝參數（表一）和焊接要點：

工藝參數表一

本工藝參數經多次試驗，得到最佳電流、電壓匹配效果，飛濺最小，焊縫成型良好。

焊接要點

鋼與銅焊接時，焊縫是鐵與銅的混合固溶體。因此，隨著焊縫中含銅量的增加，產生熱裂紋的傾向也加大。但是從生產實踐中得知，當焊縫中的含鐵量較低（如0.2%-1.1%）時，焊縫金屬的結晶特點和紫銅焊接時差不多，所以焊縫的抗熱裂性能較低。隨著焊縫含鐵量的增加，焊縫的抗熱裂性能也相應提高。當含鐵量為10%-43%時，焊縫抗熱裂性能最高。但若再進一步提高鐵含量，則焊縫的抗熱裂性能反而迅速下降。所以焊接時，由于銅的熱導率比低碳鋼大得多，焊前要預熱。我們用自己制造的電爐加熱，預熱溫度為600-700℃，從觀察口觀看銅面為暗紅色。焊接時，還應將電弧偏離坡口中心，殘能保證焊接接頭的力學性能。

七）焊接工藝過程

TIG焊打底完成后，向焊縫撒些干焊劑CJ301，以防焊縫氧化。然后加熱，加溫完成后保溫0.5小時使整個工件溫度均勻，然后進行施焊。將焊槍移至焊縫處第一層焊接位置，焊槍焊絲要偏離鋼一面，焊絲離鋼面一側坡口2MM，噴嘴離焊件8MM-15MM,焊槍略爬坡10MM燃弧。此時聽到輕微的“啪啪”聲，啟動變位機，使工件均勻旋轉，向前焊即可。這時要注意，焊槍的位置隨工件的旋轉可能發生變化，要始終保持焊槍處于焊縫的最佳位置，即以上所述參數。如圖所示（圖二）：

圖二

第一層完成后將焊槍移至焊縫銅面和第一層焊縫邊中間進行施焊，同時加大電流電壓繼續向前焊接，注意觀察熔池在兩層接頭處形成飽滿的緩坡狀接口。當蓋面層焊完后要超過接頭20-30MM，在此處將電流電壓緩降，同時息弧。焊接完畢后，把工件從工裝變位機上吊下來，用保溫棉包裹，使工件緩冷，以防止裂紋。完全冷卻后，進行車床加工，產品檢驗。

八）產品檢驗

1、外觀：焊縫成型良好，無裂紋無氣孔等不良缺陷。

2、經2.0Mpa水壓，保壓30MIN試驗，無滲漏、冒汗等現象。

3、著色，滲透探傷（JB/T6062-1992）檢驗，II級合格。

4、X射線探傷根據GB3323-87,II級合格。

九）結論

高壓氧槍采用加熱后MIG焊的工藝焊接，焊后成型良好，質量完全能滿足煉鐵高爐的使用。但是也有不小缺點，如無法進行室外作業；設備較復雜，對使用和維護要求高等。隨著我們技術水平的不斷提高、設備的不斷改進，這些問題將逐步得到解決。

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