[发明专利]一种铜板及其合金的熔化焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属铜及其合金的焊接领域，具体涉及一种实现厚铜板及其合金在惰性气保护下的电弧焊方法，利用该方法可以焊接厚度在20mm以上铜或铜合金材料的工件。

背景技术

铜是人类使用最早的金属，早在史前时代，人类就开采、冶炼和使用铜器件，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。

纯铜是紫红色光泽的金属，铜的熔点1083℃，沸点2567℃，其固体密度为8.92克/立方厘米，液态密度为 8.091g/cm³，是铝液体密度的三倍以上。铜的表面张力大约为1.3×10^-2N/cm，是铝的四分之一，因此，铜液的流动性要比铝液大很多。纯铜具有很好地导热和导电性能，其电阻率为1.68×10^-8Ω/m，热导率为391 W/m·K，大约是铝的1.5倍。铜的比热为 384 J/(kg·K），是铝的0.4倍，铁的0.8倍。

铜的晶体结构为面心立方结构，因此具有很好的延展性和加工性能，在电气、电子、化工、食品、动力、交通及航天、航空、兵器以及冶金等工业中得到了广泛的应用。大厚铜板因其很好地导热和导电性，在特殊钢的电弧或电渣冶炼炉中得到大量应用，如超过40mm厚度的纯铜板常被用作电渣冶炼炉的水冷结晶器底座使用。在电渣冶炼过程中，常会因为使用不当造成了结晶器底座的烧损甚至击穿现象。为了修复烧损及击穿点，企业需要投入大量的人力和财力，而现有的大厚铜板的焊接技术成熟度不高，一般企业难以实现良好的焊接过程。这成为冶金企业重大冶金设备制造与修复的技术瓶颈。

从铜的冶金与焊接技术的发展历程看，早期关于铜的焊接技术主要采用钎焊和锻焊，而现代铜的焊接技术主要是熔焊。由于铜及其合金的化学成分、物理性能的特殊性，在实际焊接大厚度纯铜板过程中会存在以下问题：

（1）高热导率所致的问题。铜的高热导率导致焊接时母材难以熔化，填充金属和母材不能很好地熔合在一起，产生焊不透或未熔合现象。此外还会产生焊接变形大的问题。

（2）液态铜的流动性大所致的问题。铜在熔化温度时的表面张力比铁小1/3，流动性比铁大1～1.5倍，导致焊缝表面成形能力差。

（3）焊接接头的热裂倾向大的问题。液态下铜与杂质形成的低熔共晶物在枝晶间或晶界处形成热脆性，较大的线膨胀收缩以及铜冷却过程的无相变所造成的粗大晶体结构加大了热裂倾向的产生。

（4）气孔问题。铜焊接产生的气孔主要是氢气孔、二氧化碳气孔、水蒸气孔以及低熔点合金蒸汽产生的气孔等。这些气孔的产生是由于上述气体在液固态下存在巨大的的溶解度差，此外与铜的快速结晶速度有关。

目前铜的熔化焊接方法：

熔化焊是铜及其合金焊接中应用最广泛且最容易实现的一类方法，除了传统的气焊、碳弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊外，还可以采用气体保护焊如TIG、MIG、PAW，以及高能束焊如电子束焊等。此外近十年又出现了固态焊接方法搅拌摩擦焊接。文献《焊接手册》第二卷给出了铜的熔化焊接时，可采用的各种焊接方法所能实现的最大焊接厚度。而在具体实施焊接时，这些方法基本上都是采用某一单一焊接方法。在气体保护焊时，为实现厚铜板的良好熔合，许多研究者采用了电弧温度较高的氩氦或氩氮混合气体保护以及强焊接规范参数，如北京石油化工学院李明利、刘占民等在《电焊机》杂志所刊文章《氩-氦和氩-氮TIG常温焊接厚壁紫铜的试验分析》和《焊接学报》所刊文章《大电流钨极氩—氦混合气体电弧行为分析》以及《焊接》上刊文《钨极氩-氮电弧行为及厚板紫铜冷焊的分析》等都阐述了相关技术。但是，从所报道情况看，所焊焊缝的外观成形不美观，不尽如意。这些现象在《焊接手册》中有所阐述。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种铜板及其合金的熔化焊接工艺方法，该工艺方法既解决了焊接过程中的母材加热熔化又要保证熔池液态金属平稳成形的问题。

本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，焊前准备：在焊接接头所处位置的工作台面上安装预热控温系统，在焊接工件上面安置焊接操作机，根据焊接操作机的运行范围，预留焊件板材上表面坡口两边的区域；

步骤2，焊前预热：焊前准备就绪后，点燃加热器对焊件进行预热，在预热过程中随时监控焊件温度，待焊件温度达到设定的500℃时，关闭加热器阀门，停止预热；

步骤3，焊接：在焊件达到预定温度后，启动焊枪的电弧，待电弧加热形成熔池后，开始向焊接熔池送进焊丝并启动操作机的行走机构；