低磁鋼與純銅的焊接工藝研究

沈小治

1. 概述

近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，使不銹鋼、低磁鋼等與銅及銅合金的焊接應(yīng)用得到了日益廣泛的發(fā)展。尤其低磁鋼20Mn23AlV具有極低的磁導(dǎo)率和良好的力學(xué)性能及易加工性能，可以替代低磁奧氏體不銹鋼及有色合金廣泛用于變壓器、磁選機(jī)及電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備中不導(dǎo)磁部件的制造。

低磁鋼20Mn23AlV與純銅的焊接不僅充分發(fā)揮了材料各自的性能和作用，而且大大節(jié)省材料，降低成本。

2. 焊接特點(diǎn)

純銅不僅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱塑性，而且有一定的強(qiáng)度和良好的加工性能。

在鐵-銅合金狀態(tài)圖中顯示：鐵與銅在液態(tài)時(shí)無限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，不形成金屬間化合物；當(dāng)鐵向銅擴(kuò)散時(shí)，形成有限溶解的ε固溶體。鐵與銅及銅合金的物理性能和力學(xué)性能相差極大。熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、力學(xué)性能等都有很大的不同，這對(duì)焊接不利。但鐵與銅在高溫時(shí)的原子半徑、晶體晶格類型、晶格常數(shù)以及原子的外層電子數(shù)等比較接近，這對(duì)原子間擴(kuò)散、鋼與銅及銅合金焊接來說，又是較為有利的因素。

3. 低磁鋼與純銅焊接存在的主要問題分析

（1）焊縫易產(chǎn)生熱裂紋 這與低熔共晶、晶界偏析以及銅與鋼的線膨脹系數(shù)相差較大有關(guān)，在焊縫中出現(xiàn)晶界偏析，即低熔點(diǎn)共晶合金或是銅的偏析，因而焊接時(shí)，在較大的焊接應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)出宏觀裂紋。

（2）熱影響區(qū)產(chǎn)生銅的滲透裂紋 銅與低磁鋼焊接時(shí)對(duì)銅的滲透裂紋十分敏感。為防止?jié)B透裂紋產(chǎn)生，首先要合理選擇焊接工藝，選用小的焊接熱輸入；其次是選擇合適的填充材料，控制易產(chǎn)生低熔共晶的元素（S、P、Cu2O、FeS、FeP），向焊縫中加入Al、Si、Mn、Ti、V、Mo、Ni等元素。

（3）焊接接頭力學(xué)性能降低 通常情況下，鋼與銅的焊接對(duì)接頭的要求不是很高。銅與碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行氬弧焊時(shí)，接頭強(qiáng)度一般都能達(dá)到銅母材的強(qiáng)度，這與選擇填充材料和焊接參數(shù)有關(guān)。

4. 低磁鋼與銅的焊接

總結(jié)我公司多年生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，低磁板與銅板的接頭形式為角接，焊接設(shè)備采用YD—630SS3HGE型直流氣保焊機(jī)，焊接方式采用熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）。低磁板的化學(xué)成分及力學(xué)性能參如表1、表2所示。

（1）坡口制備 根據(jù)低磁板與銅板對(duì)接形式為平角接（見圖2），為解決銅板極難熔化需增大焊接面積，我公司采取在銅板上加工塞焊孔的方式予以解決塞焊孔加工尺寸如表3所示。

（2）焊接 ①焊接材料：采用f1.2mm的鋁青銅焊絲（SCu6100），純氬氣保護(hù)（純度99.99%）。②焊接方法：直流反接。③焊接設(shè)備：YD—630SS3HGE型直流氣保焊機(jī)。④焊接參數(shù)如表4所示。

表1 20Mn23AlV的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 20Mn23AlV的力學(xué)性能

表3 銅板塞焊孔加工尺寸

圖1

（3）焊接工藝 ①塞焊引弧時(shí)應(yīng)從孔中心鋼板上開始，引弧要求在鋼板上進(jìn)行。②塞焊時(shí)要求盡量減小焊接電流，減慢焊接速度，以保證得到良好的外觀成形。

（4）焊后打磨及檢查 ①塞焊點(diǎn)及對(duì)接焊縫，焊后要求磨平。②所有焊縫打磨光滑，不允許有尖角、毛刺。③焊縫要求熔合良好，不允許存在貫穿性氣孔、裂紋、焊渣。④焊縫焊角高度不低于板厚的0.6~0.7倍。

5. 低磁鋼與純銅一般焊接缺陷的防治

（1）焊接飛濺 用常規(guī)的參數(shù)焊接時(shí)，飛濺很大焊縫與銅板不能很好地熔化在一起。把參數(shù)相應(yīng)調(diào)大，焊槍偏向鋼板一側(cè)，加大了鋼板的受熱量，就能焊出了合格的焊縫。具體焊接參數(shù)如表4所示。

（2）焊接熱裂紋 ①焊接時(shí)應(yīng)特別注意因電流較大，鐵在焊縫中占比例較大時(shí)很容易產(chǎn)生熱裂紋，特別是在弧坑處易出現(xiàn)弧坑裂紋。主要原因是由于鐵的過多熔入造成的，首先適當(dāng)控制焊接參數(shù)和焊槍角度，達(dá)到控制鐵過多熔入焊縫；其次在銅板上打孔進(jìn)行塞焊時(shí)，經(jīng)常是銅板很難熔化，采用將直孔改為階梯狀塞焊孔（見圖2），這樣問題也就解決了。焊后檢測焊縫塞孔的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都能達(dá)到要求。②如低磁鋼與純銅焊接后背面產(chǎn)生裂紋，我公司通常解決方法為：首先是對(duì)裂紋處徹底打磨清理；其次使用鎳基合金焊條ENi—0（Ni112）小參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)焊填充；清理打磨后利用氣壓進(jìn)行檢漏。

表4 采用銅焊絲對(duì)低磁鋼與銅氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)

（3）焊接氣孔 ①將箱壁表面上的漆磨掉，將銅板用丙酮擦洗，控制氣體來源。②適當(dāng)加大焊接參數(shù)增長熔池存在時(shí)間，使氣體有機(jī)會(huì)逸出。③適當(dāng)加大氬氣流量，對(duì)熔池進(jìn)行很好保護(hù)。

圖2

6. 結(jié)語

綜上所述，采用SCU6100鋁青銅焊絲進(jìn)行低磁鋼與純銅的焊接工藝操作簡便，不僅符合實(shí)際應(yīng)用的，滿足了變壓器產(chǎn)品的各項(xiàng)使用要求，而且獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了推廣應(yīng)用。

[1] 劉云龍.袖珍焊工手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999：10.

[2] 王洪光.實(shí)用焊接工藝手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010：3.