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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？ 第5页 10紫铜的焊接第7页 11碳钢与紫铜的焊
4、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
5、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 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
6、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
7、,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400-700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
8、，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 5.2.1 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
9、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
10、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）；
11、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
12、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)。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
13、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。
14、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 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
15、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的钎焊试验，综合这两个试验，获得了能指导实际生产的合理镀铜层厚度。 为了了解Cu86P7 7钎料中的P和
16、在钎焊中的行为，本文对镀铜碳钢板与镀铜黄铜管钎焊接头钎缝及界面的组织和成分进行了显微观察和电镜分析。 在钎焊试件的热循环试验中，换热器因若干根铜管在钎角根部部位出现宏观裂纹而发生泄漏。本文对裂纹产生的原因进行了详尽的分析，并提出具体的改进措施和建议。6.1碳钢与策拥焊接总体思路 通过由前面的碳钢与紫铜的熔焊特性分析可知，当碳钢与紫铜直接 焊接时，焊缝中易出现裂纹、气孔和焊接接头的机械性能降低等问题,针对它们焊接过程中会出现的问题，在碳钢与紫铜焊接时.为了能得到良好的焊接接头，可以改变焊接部位的材料性质，因此，采用在碳钢的焊接部位上刷镀铜，使碳钢和紫铜的焊接部位的性质相似，从而保证焊接接头的质量
17、。碳钢与紫铜的焊接工艺的设计思路如图2所示。 6.2预处理工艺 预处理工艺主要是除去工件表面的油和锈，油和锈是焊缝中氢的主要来源。焊缝中的氢在焊缝金属结晶过程中不能逸出时，就形成了气孔，从而导致氢脆，这样就不能保证焊接接头的质量了。故预处理在一定程度上能减少焊缝中的气孔。 6.2.1电净处理 电净的实质是对碳钢表面进行电化学除油。电化学除油有阴极除油和阳极除油两种。 6.2.1.1阴极除油。 把工件接电源负极，镀笔接电源正极，利用工件表面析出的大量氢气把油膜撕裂，同时，由于电净溶液对油的乳化和皂化作用，以及镀笔对工件表面的擦拭作用，可达到良好的除油效果。这种方法除油速度快、效果好，但易产生氢脆
18、，故高强度材料工件不宜采用。 6.2.1.2阳极除油。把工件接电源正极，镀笔接电源负极，利用工件表面析出的氧气撕裂油膜。由于阳极除油时氧气的析出量比阴极除油时氢气的析出量少1倍，所以，阳极除油速度相对较慢。同时，阳极除油对工件表面有刻蚀作用.所以，阳极除油不适合于有色金属。为了达到更好的除油效果，可采用阴极除油与阳极除油交替进行的联合除油，其配方见表la 6.2.2活化处理 活化的实质是对工件表面进行电解刻蚀和化学腐蚀。活化时，工件接电源正极，镀笔接电源负极，利用电化学刻蚀作用和化学腐蚀作用除去工件表面的锈蚀、氧化膜或疲劳层。 6.3电刷镀工艺 电刷镀工艺是在碳钢的待焊表面上进行的，其目的是改
19、变焊接部位的组织结构，使它与紫铜的性质相似，这样可以改变焊缝中的低熔点共晶体和组织结构状态，从而避免裂纹的出现。由于紫铜的线胀系数比碳钢大，而且导热性能好，所以在焊接碳钢与紫铜时，焊接接头在结晶的过程中，出现晶界错位和层状晶等现象。经过电刷镀工艺处理后，碳钢与紫铜的焊接部位的性质就变得相似，也就能减少这种现象的出现，使焊接接头的抗拉应力增大。 6.3.1被液配制方法 如表2所示，将称t好的硫酸铜!于玻璃或塑料容器中，用蒸馏水搅拌 图2碳钢与萦铜焊接工艺的设计思路衰1电净溶液的配方溶解，将250m1乙二胺用100M1蒸馏水稀释后缓慢滴人硫酸铜溶液内，衰2碱性铜镀液配方将定童的氨三乙酸、硝酸铁和硫
20、酸钠分别用水溶解，依次倒人硫酸铜溶液内，搅拌均匀，加燕馏水至规定容积，用氢氧化钠和稀硫酸调整PH约7-80 6.3.2工艺规范 耗电系数:0.18Ah / (dm卜m); 工作电压:6-y15V;阴、阳极相对运动速度，10-3am/min;工作温度:20-5090。 6.4钎焊工艺 钎焊是本工艺的最后一道工序，钎焊和熔化焊相比，所不同的是钎焊时基体金属不熔化，这样基体金属的组织、结构性质几乎就不会发生变化，从而可以保证工件的原有使用性能，还能减少出现气孔和裂纹的机会，保证了焊接接头的机械性能。由于经过前面的各种处理工序，因此在焊接时，采用一般的铜金的钎焊方法，就能使基体材料与钎料牢固地结合，降
21、低焊缝中的气孔，从而提高焊缝的强度。 6.4.1奸料:选用银基Ag50CuZnCd钎料。银基钎料工艺性能好，钎焊温度比铜基钎料低，钎焊接头的强度和塑性都很好。 6.4.2奸剂:选用适用于银基钎料钎焊铜及铜合金的QJ101钎剂，它的主要成分是硼酸30和氟硼酸钾700 6.4.3奸焊接头形式:在试验中，由于用的是导管，所以我们选用接头形式为套管接头，碳钢导管插人紫铜导管中的长度约为8-10mm，接头形式如图3所示。 6.4.4间陈:预留间隙为0.05-0.1mmo 6.4.5操作注意事项:钎焊时，用轻微碳化焰将工件表面加热到桃红色,然后将银基A沙OCuZnCd钎料放在外焰中略微加热，蘸上银钎焊钎剂QJ 101,在接缝处擦动使钎料熔化。因银钎料熔点低，所以加钎料时应用温度较低的外焰加热，钎料熔化后火焰应移开。收尾时，火焰应缓慢移动，同时注意钎料在未凝固前，不要移动工件。银钎焊的钎剂中含有氟化物，对金属有腐蚀作用，所以，T几件钎焊后，应除掉接头上的残存熔渣，防止钎焊接头被腐蚀。图3碳钢导管与紫铜导管的接头形式 7结束语 碳钢与紫铜焊接时，采用本文提出的“预处理一刷镀一钎焊”这一工艺流程是完全合理的，它有效地克服了焊缝中产生裂纹、气孔等缺陷，保证了焊接质量。 8结束语 9参考文献1英若采主编焊接原理及金属材料焊接北京：机械工业出版 2000第二版 10致谢