铜与钢异种材料焊接工艺研究

张丽芳

摘 要：本文针对铜与钢异种材料焊接工艺的探讨研究，提出CS-NiCu合金双金属焊接技术，通过其在压缩机末端冷却器冷却管与管板之间的焊接试验，焊接效果符合设计要求，在此提出一种适合铜与钢异种材料的焊接工艺。

关键词：铜与钢异种材料焊接；CS-NiCu合金焊接技术；熔化焊接

中图分类号： TG16.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）23-165-2

1 异种材料焊接工艺

随着焊接新材料、新技术的日新月异，同种材料的焊接已不能完全满足现代工程结构的需求，在更多情况下需要对异种材料进行焊接。目前异种材料的焊接也越来越普遍，甚至在某些情况下，异种材料的焊接结构的综合表现效果比同种材料结构更胜一筹。

1.1 异种材料焊接方法

随着异种材料焊接得到越来越多的应用，其焊接方法也得到很大的发展。目前国内外对异种材料的主流焊接方法有熔化焊接、钎焊接、固相压力焊接以及液相过渡焊接等。异种材料的熔化焊接方法在实际焊接工艺中主要采用电弧焊接、激光焊接、钨极氩弧焊接、CO2气体保护焊接等；钎焊接即是将熔点较低的一种材料受热熔化，将另一种材料和钎料都加热到其温度高于钎料的熔点却又低于前一种材料的熔化温度，最终实现异种材料之间的焊接；固相压力焊接则对材料采取不熔化的措施，只是加压焊接接头以固相结合的方式，主要有超声波焊接、冷压焊接、爆炸摩擦焊接等方法；液相过渡焊接是介于熔化焊接与压力焊接的一种焊接方法，需要加入中间夹层于焊缝之间，其焊接的关键在于对压力的掌控，需要在很小的压力下进行加热熔断夹层，通过夹层的液相扩散和凝固而进行焊接。

1.2 铜与钢异种材料焊接的发展现状

钎焊技术是铜与钢异种材料焊接工艺上采用最为普遍的办法，但是传统钎焊技术在实际应用上存在很多局限性，不仅加工效率低、焊接后清洗麻烦，而且存在焊接后的接头强度低等问题。此外，铜与钢以及铜合金与钢的异种材料结构多采用熔化焊进行焊接操作。但常常遇到的情况是由于两种异种材料之间存在物理、化学性质差别巨大的相互溶解度，在熔化焊接时非常容易导致焊接接头部位的金相组织不均匀、不稳定，或者衍生出额外的其他金属化合物，使焊接效果不满足设计基本要求，所以控制焊接时的焊速、电流、熔合比成为焊接成败的关键。

2 试验材料与方法

2.1 试验背景

目前国际市场上一些大型压缩机公司的冷却器原先绝大部分采用的是进口产品，压缩机末端冷却器压力较高，一般在几十巴以上，有的冷却管采用的是NiCu合金，为确保管与管板的密封要求冷却管与管板要进行强度焊接，原先进口产品管板采用的是CS-NiCu复合管板，冷却管与管板属于同种材料焊接，而CS-NiCu复合管板供货厂家少，制造周期长，成本较高。本文对铜与钢这两种异种材料焊接工艺的研究，采用CS-NiCu合金双金属焊接技术，通过压缩机末端冷却器管与管板进行焊接试验，再检测焊接后冷却器管与管板之间是否达到设计要求。

2.2 试验原理

铜与钢分别在高温作用下熔化，通过焊丝连接，氩弧焊机进行高焊速自动焊接。整个焊接过程中铜与钢两种异种材料通过相互扩散作用连接，形成新的接头。

2.3 试验材料

试验材料为φ18×1×110的冷却管和150×100×δ52（16MnR）的管板。焊接材料为BFe10-1-1焊丝。

2.4 试验设备

红山生产的万能材料试验机，型号：WE-600。

2.5 试验方法

①在一块150×100×52（16MnR）的板上用管与管头氩弧焊机自动焊10根φ18×1 （BFe10-1-1）的冷却管（采用管材化学成分相当的焊丝），管头进行着色检查，切开两个焊接接头，其剖面用10倍的放大镜进行宏观金相检查；②按照工艺图纸（图1）焊接的冷却管拉脱力试验件二件，一件为组装后扩管，扩管后进行管头焊接，再进行强度胀接；一件为直接进行管头焊接，再进行强度胀接。③φ18×δ1 （BFe10-1-1）的冷却管试样进行抛光后，先用过硫酸铵溶液预先浸湿，后用柠檬酸、醋酸铅、硫代硫酸钠混合溶液进行浸湿，试样使被检测部位变蓝色，然后热风吹干在100倍显微镜下观察原管材与评定解剖试件的组织晶粒。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

①对上述检测试样分别进行检测，管头着色检查检测合格，评定级别为Ⅰ级；②放大检测后可见根部焊透；焊缝熔合；焊缝、热影响区无裂纹；③本次两件冷却管拉脱力试验件断裂位置在管材的中部（非焊接热影响区），焊接处无可见损伤，拉伸强度分别为329MPa，341MPa；④原管材晶粒度0.020～0.025，焊接后管材焊缝区和热影响区晶粒度0.025～0.023，变化不大。

3.2 试验分析

①理论上，手工氩弧焊或氧焊对冷却管与板上管焊接后，焊接部位晶粒变大进行拉脱强度试验时，其断口位置一般在焊接热影响区，其拉脱力为1.96MPa。本次φ18×1（BFe10-1-1）冷却管和（16MnR）管板焊接，拉脱强度均大于1.96MPa，证明焊接工艺焊接效果显著；②通过管头着色检测结果，检测评定为Ⅰ级，同时放大后发现熔合很好，无裂纹，无缺陷，说明该技术焊接后的焊缝质量高，能够同时满足密封及抗高拉强度要求；③原管材晶粒度与焊接后管材焊缝区和热影响区晶粒度相差无几，说明两种材料之间扩散作用明显，形成良好的均质接头；④在试验后期冷却器的实际运行中，温差应力的变化也没有导致裂纹或者泄漏。

4 结论

①通过上述试验可看出，CS-NiCu合金双金属焊接技术将CS-NiCu复合管板改为CS管板，在冷却管与碳钢管板之间形成结合紧密的焊缝，冷却管的机械性能不受影响，防腐性能也依然显著，不仅可降低制造成本与缩短制造周期，节约大量的有色金属，还体现该工艺在铜与钢异种材料焊接上的技术优势。

②铜与钢异种材料进行焊接，由于两种材料之间的物理性能及化学成分相差大，在进行焊接研究时，首先要进行焊接方法的探索和研究，采用多种焊接方法进行焊接试验，选择合理的焊接参数，通过对各种焊接参数条件下产生的焊接试件进行机械性能、金相检测、晶粒结构等分析后，最后确定焊接工艺。

③铜与钢异种材料的焊接接头组织变化复杂，如何提高焊接后熔合区的综合性能以及接头的机械性能、热力性能、防腐性能，都是异种材料焊接工艺研究的重难点地方。

④如今异种材料的焊接已不再稀少，理论上的焊接方法也有很多，且各具特色，但是在实际应用中，由于焊接过程中发生的复杂物理化学变化，不同的焊接部位以及焊接材料用同一种工艺进行焊接后，最后获得的接头效果均不太理想。因此，今后还应针对不同的异种焊接材料找到更加有针对性的方法，使焊接方法适应焊接过程中发生的物理化学变化，以满足构件的设计要求，获得更加优质的接头。

参 考 文 献

[1] 赵建军，丁学，马瑞林.异种难焊材料的焊接实用手册[M].安徽：安徽文化音像出版社，2005.

[2] 郭红.铜与不锈钢的真空钎焊[D].武汉：武汉理工大学，2003.

[3] 张秉刚，冯吉才.铬青铜与双相不锈钢异种材料电子束熔钎焊[J].焊接学报，2004，25（4）：43-45.

[4] 付俊.铜钢异种材料激光焊接研究[D].上海：上海交通大学，2009.