焊条电弧焊在T2纯铜焊接上的应用及其防变形措施

摘要：本文介绍了焊条电弧焊在T2纯铜焊接工艺过程，针对T2纯铜物理、化学性能特点，编制焊接工艺，选择合理的焊接工艺方法与合理的工艺参数，对易出现构件变形的工序中，采取了有效的防范方法和措施。使得焊条电弧焊在T2纯铜焊接获得成功。

关键词：T2纯铜 焊接 控制变形

中图分类号：K826文献标识码： A

一、前言：

铜及铜合金通常具有优良的导电性能、导热性能和在某种介质中优良的抗腐蚀性能，因而在电气、化工、制造、动力及交通等工业部门都得到广泛的应用。铜及铜合金的焊接是机器制造业中常要解决的问题，原焊接一般采用气焊焊接较多，现就焊条电弧焊用于铜焊接进行应用上的研究。

二、焊接性分析

焊条电弧焊被广泛的应用于碳钢及合金钢的焊接中，在铜及铜合金的焊接上应用较少，本文以翻砂铝锌耐磨合金散热紫铜板为例介绍焊条电弧焊在T2纯铜焊接上的应用。

翻砂铝锌耐磨合金散热紫铜板属T2纯铜材料，构件材料规格是（12×800×1200㎜），三块对接，该件用途于浇铸铝锌耐磨合金件的散热作用，根据技术要求是：焊缝质量达到Ⅱ级,且不渗漏,防止变形。

1、焊接T2铜易出现的问题

（1）焊接紫铜时，如采用焊接规范不当，填充金属与母材也不能很好的熔合，产生未熔合缺陷。

（2）焊接工件焊后变形量较大。

（3）在焊缝及熔合区易产生大量的气孔。

（4）在焊缝或热影响区中易产生裂纹。

（5）焊接接头的机械性能一般低于母材，塑性和韧性降低更为显著。

2、T2紫铜板的性能

T2紫铜板的化学成分、机械性能、物理性能见表1、表2、表3

表1化学成分

牌号 代号 主要化学成分（%） 杂质总合不大于（%）

二号铜 T2 铜不少于 磷不大于

99.90 0.1

表2机械性能

材料状态 抗拉强度Rm (MPa) A（%） Akv(J)

软 240 50 157

表3物理性能

熔点（℃） 导热系数（W/m·K） 线膨胀系数(10-6K-1) 收缩率（%）

20℃ 1000℃

1083 393.6 326.6 16.5 2.1

3、焊接性分析

根据T2紫铜的化学成分，物理性能和机械性能得知，T2紫铜材料的导热性较好，根据被焊工件是由三块（12×800×1200）拼接面积大及焊缝长度长，如采用一般小紫铜的预热温度，则很难满足焊件所需的焊接预热温度，其一，焊件的面积较大，导热性更强，其二，焊件散失的热量就更多，这样就很难使母材于填充金属熔合，所以必须采用较大热源，高的预热温度。

T2紫铜在高温强度下，塑性韧性降低，该材料的收缩率较大，根据该件的板厚和焊缝长度，焊缝的收缩量也相应随之增加，其变形量则相应增大。

T2紫铜产生的气孔是由氢引起的，氢在铜中的溶解度如图1所示，氢在铜中的溶解度随温度下降而降低。由液态转为固态时（1083℃），氢的溶解度有剧变，而后随温度降低，氢在固体铜中的溶解度继续下降，由于铜焊缝金属的导热性能良好，熔池的结晶速度很快，溶解在焊缝金属中的氢气来不及逸出而形成氢气孔。

图1 氢在铜中的溶解度和温度的关系

氧是铜中经常存在的杂质，铜在熔化状态时较易氧化，而生成Cu2O，Cu2O 能与Cu形成（Cu2O ＋Cu）的低熔点共晶，其共晶温度为1065℃，低于铜的熔点（1083℃），使焊缝容易产生热裂纹。

三、焊接方法及材料的选择

1、焊接设备选用

结合现有设备的实际情况，焊接设备选用WS7-400焊机。T2紫铜的壁厚为12mm，为了保证焊透，采用焊条电弧焊多道焊的方法焊接。

2、焊条的选择

由于铜易于氧化而生成Cu2O使焊缝易出现热裂纹及气孔，故必须在焊接材料中加入一定量的脱氧剂。焊条电弧焊时可采用“铜107”的纯铜电焊条，其焊芯为纯铜，药皮中含有钛铁、铝铁、锰铁、硅铁等脱氧物质。

四、焊接准备

1、根据该件板厚须开V形坡口60°，双面焊接。采用刨边机加工，用锉刀清除被焊件表面污物，露出金属光泽。

2、根据被焊工件自作一固定胎夹具，将其所焊构件固定利用本单位现有设备地炉将整个工件进行预热，减少焊件的变形量。

3、根据T2材料选择与母材相近的焊接材料及抗裂性好的焊条（铜107牌号），对焊条在焊前应在烤箱内进行2小时烘烤，温度保持250℃－300℃，以防止氢的侵入。

4、焊接环境

当施焊环境出现下列一种情况时，应采取有效防护措施，否则不能焊接。

（1）手工焊时风速大于10m/s（风速过大易引起熔滴飞溅，熔滴过渡受到影响），应采取防风措施；

（2）相对湿度大于90%（湿度大，H20的含量过高，在焊接的高温情况下会发生H20=2[H]+[O]反应，产生H2气孔和CO气孔）；

五、焊接工艺及操作

针对T2紫铜的导热性强，应采用较强的热源，根据该种材料的热胀冷缩性大，高温时强度及塑性低的特性，采用焊前预热，适当的焊接次序及焊后锤击等工艺措施，以减小应力，防止变形，还应解决铜的氧化和氢的溶解问题，解决氢的来源，这样才能满足焊缝要求。

1、焊前预热，在地炉上将固定工件进行整体预热500-550℃，用红外线测温仪测定温度。

2、采用直流反接法，将构件点固五点焊缝，每点15mm，焊接方法由左向右进行焊接，焊接参数见表4，焊件装配见表5

表4焊接参数

焊条直径及牌号

焊接层数 打底层 填充层 盖面层 封底层

铜107 Φ3.2

100-120A Φ4.0

150-200A Φ4.0

150-200A Φ4.0

150-200A

表5焊件装配

坡口形式

板厚 间隙 钝边 坡口角度

δ D P a

12㎜ 2㎜ 3㎜ 60°

3、焊接操作时，焊条不作左右摆动，采用直线往复形运条，第一层采用φ3.2mm焊条进行打底焊，填充层及盖面层均采用φ4.0mm焊条焊接，当每层及盖面焊完以后都要进行清渣，用钢丝轮清根和轻微锤击，减小焊缝内应力，以增强焊缝金属的强度，反面焊缝在焊前应用金属钢丝轮清根，完毕后采用φ4.0mm焊条进行焊接，但整个焊接都在地炉上进行，以确保焊件一直保持在预热温度中。焊接次序见图2：

图2 焊接次序

1、打底层2、填充层3、盖面层4、反面焊

4、焊件必须在炉内进行缓冷，直到完全冷却后在将构件取下，这样即可以防止裂纹和减小变形量，在将焊缝用旋转合金刀头磨平，约有小量变形，可在卷管机上垫上一块16mm的钢板将焊工件放在上面进行滚压，这样构件就校平了。

六、焊缝检验

整个焊接和校正完毕以后，经X射线检测，焊缝内部无裂纹，存在气孔、夹渣等缺陷，但达到了焊缝质量达到Ⅱ级水平,且不渗漏,防止变形。

结论

通过以上的检验结果和使用结果分析，焊条电弧焊焊接T2纯铜采用以上工艺完全符合技术要求。焊条电弧焊在一定条件下可以应用于T2纯铜的焊接。

参考文献：

1、《熔焊原理及金属材料焊接》刘若采主编 2版 北京：机械工业出版社2000.5

2、《焊接冶金学：金属焊接性》周振丰 主编 北京：机械工业出版设 1996

3、《焊接工程师手册》陈祝年 主编 北京：机械工业出版设 2010-2-1