銅與鋼的焊接

馮濤

摘 要：本文通過比較銅和鐵的參數，簡單介紹了鋼與銅或銅合金的焊接方法、每一種焊接方法的優點及缺點，以及如何使用。探討了擴散焊如何選擇擴散中間材料，加入鎳層的目的。

關鍵詞：熔化焊 固相壓力焊 滲透裂紋 鎢極氬弧焊 金屬埋弧焊 奧氏體不銹鋼 韌窩型

在核電站、航空航天、化工、冶金、機電等領域中都能見到鋼與銅或銅合金之間形成的復合焊接接頭。復合焊接有如下優點：一方面鋼與銅或銅合金連接能形成滿足各種特殊需求的金屬結構，特別是既要求具有高強度，又要求具有高導電性和導熱性能的工件；另一方面，在鋼上堆焊銅合金能改善工件表面的性能，如能提高耐磨耐蝕性能、增強潤滑和密封能力等。

由二元相圖可以看出，銅和鐵的原子半徑、晶體類型、晶格常數、原子外層電子數等較為接近。二者在液相中能無限固溶；二者在固態時，雖只能有限固溶，但并不會形成脆性金屬間化合物，而是形成“x+ε”的雙相組織，其中α相是Cu（<0.3%）在鐵中形成的固溶體，ε相為Fe（<0.2%）在銅中形成的固溶體。這些都是鋼與銅或銅合金焊接的有利因素。但是銅與鐵的熔點、導熱系數、熱膨脹系數等參數又存在較大的不同，易在焊接接頭產生應力集中，導致形成焊接裂紋，這對獲得優質焊接接頭是不利的，使焊接具有較大困難。

一、鋼與銅或銅合金焊接的方法

鋼與銅或銅合金焊接的方法主要有熔化焊和固相壓力焊。當用銅焊絲在鋼表面進行熔化堆焊時，由于母材中Fe、Cr、Ni等元素的融入，以及氧與銅的強烈親和作用和多種低溶共晶體的存在，常常使焊縫金屬區脆化，導致銅未焊透、氣孔、夾雜、裂紋和燒穿等施焊處結晶組織晶粒粗大。另外，在焊接過程中，液態銅或銅合金向所接觸的近縫區鋼表層滲透，即沿微裂紋浸潤深入以及沿晶界擴散發展等形成“滲透裂紋”，是熔化焊接中另一個會產生的主要問題?！皾B透裂紋”的產生原理是：在應力的作用下，液態銅原子在毛細管效應作用下，滲透到裂紋尖端和沿晶界擴散，使得晶界表面能降低。鐵銅的表面能比鐵鐵的界面能低兩倍，使得晶界強度弱化。液態銅在微裂紋壁上還會產生一個附加壓力，從而導致微裂紋進行擴展。

二、鎢極氬弧焊（TIG）的優缺點

用鎢極氬弧焊（TIG）焊接銅與鋼，其優點是：

首先，氬氣是惰性氣體，既不與熔池金屬發生化學反應，也不溶于液態金屬。因此，焊接時不易產生氣孔，合金元素也不會被燒損。氬氣的密度比空氣大1.25倍，覆蓋在熔池周圍時會形成堅實的氬氣隔離層，從而能獲得優良的焊縫。

其次，氬氣在電離時產生的正離子，其質量和動能較大，在電磁力的作用下，會向陰極高速運動，當工件為負極時會受到氬氣正離子的撞擊，破壞工件表面的氧化膜，產生一定的清理作用。

再次，施焊部分可見度好，適合各種位置焊接，容易實現機械化和自動化。

最后，熔池液態金屬流動性好，對母材的潤濕性高，焊接工藝性好，焊縫的強度高，氣密性好。

但是，氬弧焊時不易控制分配施加給兩種金屬的電弧熱量，銅在用氬弧焊焊接時有熱裂傾向。

三、硬釬焊和釬焊的優缺點

采用硬釬焊（銅-磷-錫焊膏）和釬焊（氧-乙炔）時，其特點是無鎘、無銀。然而采用釬焊時焊接接頭常會出現氣孔、夾渣、未焊透等焊接缺陷，使得接頭的性能嚴重下降。焊接結束后對釬劑要進行嚴格的清洗，否則制品容易腐蝕。也有采用異種金屬埋弧焊，但是這種焊接方法易出現咬邊和熔合不良等問題，特別是當焊接電流過大時，導致不銹鋼稀釋率偏大，從而出現宏觀片析，導致焊接裂紋。

四、固相壓力焊的優缺點

采用固相壓力焊，如擴散焊、摩擦焊和爆炸焊等，能夠獲得優質的鋼與銅或銅合金焊接接頭。但是受焊接條件的限制，這些方法只能應用于一些特殊的構件和零件。在銅與港擴散焊時通常加一個中間擴散層，其材料可以有鈦、鎳、銀、含鈹合金等。正確選擇擴散中間材料是比較重要的，因為選擇不當會造成：降低接頭的耐溫能力、導致顯微組織破壞；降低接頭的強度、導致熱力學的不相容性。

加中間擴散層材料的目的是填充間隙及隨后與基體金屬進行擴散反應，形成基體金屬和中間材料間的較大硬度差。

選擇擴散中間材料的原則是待焊基體金屬低合金化的改型材料。如非合金化的鈦或鈦合金的中間擴散層等，鎳用于含鎳基高溫合金的擴散焊等。

在銅-不銹鋼接頭中加入鎳層的主要目的是降低擴散焊溫度、降低擴散焊壓力、縮短擴散焊的保持時間、提高擴散系數、除去不需要的元素、防止金屬間化合物、在不銹鋼中提高其抗SCC的能力等。

中間材料的使用方式有：電鍍、蒸氣層積、噴濺、薄墊或粉末等。擴散中間層的允許厚度<0.25mm，一般為0.01～0.02mm。

（作者單位：山東省鄒城市技工學校）endprint