銅與鋼異種材料焊接工藝研究

張麗芳

摘 要：本文針對銅與鋼異種材料焊接工藝的探討研究，提出CS-NiCu合金雙金屬焊接技術，通過其在壓縮機末端冷卻器冷卻管與管板之間的焊接試驗，焊接效果符合設計要求，在此提出一種適合銅與鋼異種材料的焊接工藝。

關鍵詞：銅與鋼異種材料焊接；CS-NiCu合金焊接技術；熔化焊接

中圖分類號： TG16.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）23-165-2

1 異種材料焊接工藝

隨著焊接新材料、新技術的日新月異，同種材料的焊接已不能完全滿足現代工程結構的需求，在更多情況下需要對異種材料進行焊接。目前異種材料的焊接也越來越普遍，甚至在某些情況下，異種材料的焊接結構的綜合表現效果比同種材料結構更勝一籌。

1.1 異種材料焊接方法

隨著異種材料焊接得到越來越多的應用，其焊接方法也得到很大的發展。目前國內外對異種材料的主流焊接方法有熔化焊接、釬焊接、固相壓力焊接以及液相過渡焊接等。異種材料的熔化焊接方法在實際焊接工藝中主要采用電弧焊接、激光焊接、鎢極氬弧焊接、CO2氣體保護焊接等；釬焊接即是將熔點較低的一種材料受熱熔化，將另一種材料和釬料都加熱到其溫度高于釬料的熔點卻又低于前一種材料的熔化溫度，最終實現異種材料之間的焊接；固相壓力焊接則對材料采取不熔化的措施，只是加壓焊接接頭以固相結合的方式，主要有超聲波焊接、冷壓焊接、爆炸摩擦焊接等方法；液相過渡焊接是介于熔化焊接與壓力焊接的一種焊接方法，需要加入中間夾層于焊縫之間，其焊接的關鍵在于對壓力的掌控，需要在很小的壓力下進行加熱熔斷夾層，通過夾層的液相擴散和凝固而進行焊接。

1.2 銅與鋼異種材料焊接的發展現狀

釬焊技術是銅與鋼異種材料焊接工藝上采用最為普遍的辦法，但是傳統釬焊技術在實際應用上存在很多局限性，不僅加工效率低、焊接后清洗麻煩，而且存在焊接后的接頭強度低等問題。此外，銅與鋼以及銅合金與鋼的異種材料結構多采用熔化焊進行焊接操作。但常常遇到的情況是由于兩種異種材料之間存在物理、化學性質差別巨大的相互溶解度，在熔化焊接時非常容易導致焊接接頭部位的金相組織不均勻、不穩定，或者衍生出額外的其他金屬化合物，使焊接效果不滿足設計基本要求，所以控制焊接時的焊速、電流、熔合比成為焊接成敗的關鍵。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗背景

目前國際市場上一些大型壓縮機公司的冷卻器原先絕大部分采用的是進口產品，壓縮機末端冷卻器壓力較高，一般在幾十巴以上，有的冷卻管采用的是NiCu合金，為確保管與管板的密封要求冷卻管與管板要進行強度焊接，原先進口產品管板采用的是CS-NiCu復合管板，冷卻管與管板屬于同種材料焊接，而CS-NiCu復合管板供貨廠家少，制造周期長，成本較高。本文對銅與鋼這兩種異種材料焊接工藝的研究，采用CS-NiCu合金雙金屬焊接技術，通過壓縮機末端冷卻器管與管板進行焊接試驗，再檢測焊接后冷卻器管與管板之間是否達到設計要求。

2.2 試驗原理

銅與鋼分別在高溫作用下熔化，通過焊絲連接，氬弧焊機進行高焊速自動焊接。整個焊接過程中銅與鋼兩種異種材料通過相互擴散作用連接，形成新的接頭。

2.3 試驗材料

試驗材料為φ18×1×110的冷卻管和150×100×δ52（16MnR）的管板。焊接材料為BFe10-1-1焊絲。

2.4 試驗設備

紅山生產的萬能材料試驗機，型號：WE-600。

2.5 試驗方法

①在一塊150×100×52（16MnR）的板上用管與管頭氬弧焊機自動焊10根φ18×1 （BFe10-1-1）的冷卻管（采用管材化學成分相當的焊絲），管頭進行著色檢查，切開兩個焊接接頭，其剖面用10倍的放大鏡進行宏觀金相檢查；②按照工藝圖紙（圖1）焊接的冷卻管拉脫力試驗件二件，一件為組裝后擴管，擴管后進行管頭焊接，再進行強度脹接；一件為直接進行管頭焊接，再進行強度脹接。③φ18×δ1 （BFe10-1-1）的冷卻管試樣進行拋光后，先用過硫酸銨溶液預先浸濕，后用檸檬酸、醋酸鉛、硫代硫酸鈉混合溶液進行浸濕，試樣使被檢測部位變藍色，然后熱風吹干在100倍顯微鏡下觀察原管材與評定解剖試件的組織晶粒。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

①對上述檢測試樣分別進行檢測，管頭著色檢查檢測合格，評定級別為Ⅰ級；②放大檢測后可見根部焊透；焊縫熔合；焊縫、熱影響區無裂紋；③本次兩件冷卻管拉脫力試驗件斷裂位置在管材的中部（非焊接熱影響區），焊接處無可見損傷，拉伸強度分別為329MPa，341MPa；④原管材晶粒度0.020～0.025，焊接后管材焊縫區和熱影響區晶粒度0.025～0.023，變化不大。

3.2 試驗分析

①理論上，手工氬弧焊或氧焊對冷卻管與板上管焊接后，焊接部位晶粒變大進行拉脫強度試驗時，其斷口位置一般在焊接熱影響區，其拉脫力為1.96MPa。本次φ18×1（BFe10-1-1）冷卻管和（16MnR）管板焊接，拉脫強度均大于1.96MPa，證明焊接工藝焊接效果顯著；②通過管頭著色檢測結果，檢測評定為Ⅰ級，同時放大后發現熔合很好，無裂紋，無缺陷，說明該技術焊接后的焊縫質量高，能夠同時滿足密封及抗高拉強度要求；③原管材晶粒度與焊接后管材焊縫區和熱影響區晶粒度相差無幾，說明兩種材料之間擴散作用明顯，形成良好的均質接頭；④在試驗后期冷卻器的實際運行中，溫差應力的變化也沒有導致裂紋或者泄漏。

4 結論

①通過上述試驗可看出，CS-NiCu合金雙金屬焊接技術將CS-NiCu復合管板改為CS管板，在冷卻管與碳鋼管板之間形成結合緊密的焊縫，冷卻管的機械性能不受影響，防腐性能也依然顯著，不僅可降低制造成本與縮短制造周期，節約大量的有色金屬，還體現該工藝在銅與鋼異種材料焊接上的技術優勢。

②銅與鋼異種材料進行焊接，由于兩種材料之間的物理性能及化學成分相差大，在進行焊接研究時，首先要進行焊接方法的探索和研究，采用多種焊接方法進行焊接試驗，選擇合理的焊接參數，通過對各種焊接參數條件下產生的焊接試件進行機械性能、金相檢測、晶粒結構等分析后，最后確定焊接工藝。

③銅與鋼異種材料的焊接接頭組織變化復雜，如何提高焊接后熔合區的綜合性能以及接頭的機械性能、熱力性能、防腐性能，都是異種材料焊接工藝研究的重難點地方。

④如今異種材料的焊接已不再稀少，理論上的焊接方法也有很多，且各具特色，但是在實際應用中，由于焊接過程中發生的復雜物理化學變化，不同的焊接部位以及焊接材料用同一種工藝進行焊接后，最后獲得的接頭效果均不太理想。因此，今后還應針對不同的異種焊接材料找到更加有針對性的方法，使焊接方法適應焊接過程中發生的物理化學變化，以滿足構件的設計要求，獲得更加優質的接頭。

參 考 文 獻

[1] 趙建軍，丁學，馬瑞林.異種難焊材料的焊接實用手冊[M].安徽：安徽文化音像出版社，2005.

[2] 郭紅.銅與不銹鋼的真空釬焊[D].武漢：武漢理工大學，2003.

[3] 張秉剛，馮吉才.鉻青銅與雙相不銹鋼異種材料電子束熔釬焊[J].焊接學報，2004，25（4）：43-45.

[4] 付俊.銅鋼異種材料激光焊接研究[D].上海：上海交通大學，2009.