鋼是金屬結(jié)構(gòu)中最常用的材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如穩(wěn)定的力學(xué)性能、良好的焊接性、熱穩(wěn)定性等。銅及銅合金都具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，而且有一定的強度和良好的加工性能[1]，有些銅合金還具有較高的強度和耐蝕性。鋼與銅及銅合金的連接可以充分發(fā)揮各自的性能與特點，達到物盡其用的效果，并且可以大大節(jié)省材料，降低成本。目前公司某產(chǎn)品油管路中出現(xiàn)了銅與不銹鋼的焊接結(jié)構(gòu)。新的焊接結(jié)構(gòu)需要對其焊接性進行詳細的研究，針對此焊接結(jié)構(gòu)，我們選擇合適的焊接材料、焊接方法并優(yōu)化焊接工藝，最終得出滿足設(shè)計要求的優(yōu)良焊縫。

1.   實驗

1.1   材料

新開發(fā)油管路中的銅管材料為TP1，不銹鋼管材料為06Cr19Ni10，兩者規(guī)格均為?22 mm×2 mm（外徑×壁厚）。TP1和06Cr18Ni9的化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

1.2   焊接

1.2.1   焊接性分析

鐵–銅相圖如圖1所示。鐵與銅在液態(tài)時互相無限固溶。兩者在固態(tài)時有限固溶，不形成金屬間化合物；當(dāng)鐵向銅擴散時，形成有限溶解度的ε相固溶體。在1094 °C時，鐵在銅中的溶解度為4%，650 °C時鐵在銅中的溶解度為0.2%，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時，溶解度將無明顯變化。而鐵和銅在高溫時的原子半徑、晶格類型和晶格常數(shù)以及原子的外層電子數(shù)等比較接近，這對原子間擴散是較為有利的因素，有利焊接連接。但是鐵和銅在熔點、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和力學(xué)性能等物理性能方面的差異仍會給焊接造成許多困難。比如：銅的線膨脹系數(shù)比鐵大40%左右，鐵-銅合金的結(jié)晶溫度區(qū)間很大（約為300～400 °C），加之又容易形成（Cu+Cu2O）、（Ni+Ni3S2）、（Fe+FeS）等多種低熔點共晶成分，這些共晶體將導(dǎo)致兩者之間的焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫中Fe質(zhì)量分數(shù)為0.2%~1.1%時，焊縫組織呈粗大的α單相組織，抗裂性很差；隨著鐵含量的增加，焊縫逐步變?yōu)椋é?ε）雙相組織，特別當(dāng)Fe質(zhì)量分數(shù)達到10%~43%時，焊縫抗裂性最好[2]。

液態(tài)的銅或銅合金對近焊縫區(qū)鋼的晶界有著較強的滲透作用。在應(yīng)力作用下易形成滲透裂紋。大量實踐數(shù)據(jù)表明，含Ni、Si、Al的銅合金或其焊縫中加入V、Ti、Mn等元素，可有效降低滲透裂紋傾向，比如Ni質(zhì)量分數(shù)高于16%的碳鋼焊縫就不會產(chǎn)生滲透裂紋。而含錫的青銅卻會發(fā)生嚴重的滲透裂紋現(xiàn)象。另外，鋼的組織狀態(tài)也是重要，比如液態(tài)銅不能浸潤鐵素體，卻可以浸潤奧氏體。所以銅與單相奧氏體鋼焊接容易產(chǎn)生滲透裂紋，而與奧氏體-鐵素體雙相鋼焊接就不容易產(chǎn)生滲透裂紋。

鐵與銅及銅合金焊接存在的問題主要有以下3個方面[3]：焊縫易產(chǎn)生熱裂紋；熱影響區(qū)產(chǎn)生銅的滲透裂紋；焊接接頭力學(xué)性能降低。

針對上述銅與鐵的焊接特點，需要制定詳細的焊接工藝，進行油管路中銅管與不銹鋼管之間的焊接連接。

1.2.2   焊接工藝

針對上述特點，我們采用可獲得良好焊接接頭的氬弧焊方法來焊接油管路中的不銹鋼管與銅管。焊接參數(shù)如表3所示。

對于焊材選用：若采用不銹鋼焊縫，則當(dāng)焊縫含銅量達到一定比例時就會產(chǎn)生熱裂紋；若采用銅焊縫，則由于焊縫中溶入了Ni、Cr、Fe等元素而使焊縫金屬變硬、變脆，或者銅滲入不銹鋼側(cè)近縫區(qū)奧氏體晶界也會使接頭變脆。本實驗采用了與銅、鐵均無限固溶的第3種材料：鎳基合金焊絲作為填充金屬進行焊接，保證其焊接性，并將獲得較高的接頭強度和塑性。焊絲成分如表4所示。

此外，也可以用鎳或鎳基合金作為中間過渡層，來實現(xiàn)鋼與銅或銅合金的焊接[4]。另外在焊接過程中，應(yīng)嚴格注意以下操作：

1） 焊件接頭處銅管一側(cè)不開坡口，而在不銹鋼管一側(cè)開單V形坡口。

2） 采用氬弧焊（TIG）方法焊接時，因為銅的熱導(dǎo)率大，鎢極電弧必須偏離不銹鋼一側(cè)，而指向銅一側(cè)，距坡口中心約為5~8 mm，以控制不銹鋼的熔化量。

3） 選擇鎳基焊材作為填充材料。目的是為了改善焊縫金屬的力學(xué)性能和防止產(chǎn)生銅滲透裂紋。

4） 選擇合適的焊接技法：采用快速、不擺動的焊法。

5） 本焊接方法本質(zhì)上是一種氬弧焊-釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側(cè)的熔化量。對不銹鋼來說是屬于釬焊焊接，而對銅一側(cè)來說是屬于熔焊連接。

6） 焊接過程中采用脈沖電流，降低焊接過程中銅側(cè)的熱輸入，防止銅的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

2.   結(jié)果及討論

2.1   外觀及無損檢測。

通過上述的工藝優(yōu)化后可得到優(yōu)良的銅與不銹鋼的焊縫，避免了銅與鋼之間焊接易出現(xiàn)的各種問題。圖2為焊接試件的外部形貌的照片，在照片中可以看出焊縫表面形貌良好，成型漂亮。按照標準NB/T47013.2—2015射線檢驗焊縫達到I級焊縫標準，完全符合設(shè)計要求。

2.2   宏觀檢測

圖3為焊接試件的焊縫橫截面照片，從圖中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無裂紋，無其他焊接缺陷。從銅合金側(cè)可以看出，銅與焊材鎳基合金固溶為一體，熔合線清晰，焊縫成型良好。

2.3   力學(xué)性能

將管件進行整管拉伸。共取樣兩根，進行拉伸實驗，得出抗拉強度分別為223和218 MPa，均大于標準最低抗拉強度197 MPa，且試樣均斷裂為母材處。將整管均分4部分，進行面彎和背完實驗，檢驗結(jié)果均無裂紋。說明焊接接頭的力學(xué)性能均達到設(shè)計和標準要求，得到優(yōu)良的焊縫。

3.   結(jié)論

1） 采用鎢極氬弧焊方法，鎳基合金Cu–Ni焊絲作為焊接材料，實現(xiàn)了油管路銅管與不銹鋼管之間的焊接。通過優(yōu)化后的工藝，得到了表面成型優(yōu)良、無缺陷的焊縫。

2） 本焊接方法本質(zhì)上是一種氬弧焊–釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側(cè)的熔化量。對不銹鋼來說是屬于釬焊焊接，而對銅一側(cè)來說是屬于熔焊連接。

3） 從焊縫橫截面形貌照片中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無裂紋，銅與鎳基焊材固溶為一體。

4） 通過拉伸和彎曲實驗檢驗，銅與不銹鋼的焊接接頭的力學(xué)性能均滿足標準和設(shè)計要求，可以應(yīng)用到實際生產(chǎn)之中。

參考文獻

[1]李壽康. 銅及銅合金知識簡介. 金屬世界,2005(4):39doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2005.04.015

[2]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊: 材料的焊接: 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003

[3]李亞江, 王娟, 劉鵬. 異種難焊材料的焊接及應(yīng)用. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004

[4]陳祝年. 焊接工程師手冊. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010

文章來源——金屬世界