銅/鋼異種金屬埋弧焊工藝研究

張建民

保定天威保變電氣股份有限公司 河北保定 071000

1 序言

高電壓大容量油浸式變壓器為了減少漏磁通，在油箱箱壁上形成渦流產生較大的熱量，需要在油箱碳素鋼鋼板的箱壁內部焊接銅屏蔽，當前采取的是MIG純氬氣保護手工焊，使用SCu6100鋁青銅焊絲施焊的工藝，但該工藝焊縫成形較差，打磨工作量大，焊接煙塵對操作者的傷害較大，焊接時需要穿戴好防毒通風面具。為了改善這一焊接工藝，利用埋弧焊功率大、熔敷效率高的特點，采用普通碳素鋼焊絲對埋弧焊焊接銅屏蔽的工藝進行研究。

2 銅/鋼異種金屬焊接可行性分析

（1）焊接不利因素分析[1]在銅/鋼異種金屬焊接中，銅與鋼的熔點、導熱系數、線膨脹系數和力學性能等都有很大的區別，容易在焊接接頭中產生應力集中，導致各種焊接裂紋。與鋼相比，純銅的強度比較低、塑性好、導熱系數大，純銅的導熱系數幾乎是鋼的7～11倍，焊接時大量的熱從銅板基材散失，加熱范圍擴大。銅板基材厚度越大，散熱越嚴重。盡管銅的比熱略小于鐵，但焊接區難以達到熔化溫度。銅在熔化溫度下的表面張力比鐵小1/3，流動性比鐵大1～1.5倍，表面成形能力較差。

（2）焊接有利因素分析 由于鐵與銅的原子半徑、晶格類型及原子外層電子數目等都比較接近，這對金屬之間的連接有好處，即對鋼與銅或銅合金的焊接很有利。另外，銅與鋼屬于在液態時無限互溶，而在固態時雖為有限互溶，但不會形成脆性金屬間化合物，而是以（α+ε）雙相組織形式存在。其中α相是Cu在Fe中的固溶體，ε相為Fe在Cu中的固溶體。因此，只要克服銅和鋼在物理性能上存在差異的困難，即可獲得正常焊接接頭。

3 銅與鋼埋弧焊焊接工藝試驗研究

高熱輸入的埋弧焊因有焊劑保護，可防止焊接熱量迅速散失，有利于銅屏蔽焊接成形。采用焊絲H08MnA匹配HJ431在鋼板上埋弧焊焊接銅屏蔽，焊接參數見表1。

表1 埋弧焊焊接參數

（1）根據焊槍位置確定三種焊接方案[2]方案1：焊槍對鋼板施焊，通過熔敷金屬把銅屏蔽邊緣熔化形成角焊縫達到焊接的目的（見圖1）。

圖1 焊接示意

方案2：設置偏置量，將焊槍放在銅板上，直接將銅板熔透燒穿，使其與鋼板熔合在一起（見圖2）。

方案3：銅板對接間隙從起弧位置沿施焊方向從0開始逐漸增大。其中起弧位置附近焊接方式類似于方案2，即偏置法直接將銅板焊穿。隨銅板間隙的逐

圖2 焊槍偏置量

步增大，焊接方式類似于方案1，即角接焊接形式。施焊過程及焊接完畢后效果如圖3和圖4所示。

圖3 施焊過程

圖4 焊接效果

（2）焊后檢測 焊接后進行著色檢測，如圖5所示。

圖5 著色檢測

方案1：焊縫表面遍布橫向裂紋，不符合質量要求。

方案2：起弧位置焊縫表面偶爾出現微裂紋，整體外觀效果良好。

方案3：從起弧位置開始，隨銅板對接間隙的增大，焊縫表面裂紋缺陷逐步顯現并趨于嚴重。

滲透檢測驗證了偏置的正確性和偏置輸入熱輸入的必要性。

（3）宏觀檢測 采用剪板機從試板中部橫向截斷，獲取三套方案的焊縫斷面，焊縫斷面宏觀檢測結果如圖6所示。從斷面上觀察對比，方案2焊縫銅板與鋼板實現了良好的熔合，目測無可見缺陷；焊縫熔深實測3mm左右。

（4）焊縫成分分析 在焊縫組織上鉆取適量粉屑（見圖7）進行Cu元素含量分析，見表2。銅元素含量越高對變壓器屏蔽電氣性能影響越小。其中方案2設置偏置量的焊縫Cu元素含量最高達到64.81%，抗拉強度達到403MPa，滿足使用要求（鋁青銅焊絲焊接的銅屏蔽抗拉強度為387MPa）。

圖6 斷面宏觀形貌

圖7 鉆取粉屑

表2 Cu元素含量分析

（5）金相檢測 對方案2的焊縫熔合線部位用金相顯微鏡觀察，金相組織如圖8所示，鋼/銅形成固溶體，相互熔合。

圖8 金相組織

4 結束語

鋼/銅埋弧焊焊接，采取方案2設置偏置量的焊接工藝能夠滿足要求，且成形及焊縫強度優于鋁青銅焊絲的MIG焊，焊接煙塵小，無弧光輻射，該工藝方法可以應用到變壓器銅屏蔽焊接。