曲利峰，辛文彤，吳永勝，李志尊

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

銅及銅合金焊接研究現(xiàn)狀和手工自蔓延焊接銅問題探討

曲利峰，辛文彤，吳永勝，李志尊

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

概述了銅及銅合金的氣焊、釬焊、活性焊、MIG焊、攪拌摩擦焊及熱摩擦攪拌焊、激光焊、電子束焊等常規(guī)焊法和自蔓延焊法的技術(shù)特點及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。論述了在當前銅及銅合金手工自蔓延焊接技術(shù)的研究過程中如何借鑒融合其他焊接技術(shù)的工藝及機理，并討論了銅及銅合金手工自蔓延焊接所存在的問題并對其產(chǎn)生原因作了初步分析，著重分析了焊接時焊縫金屬與母材的潤濕性，熔渣與焊縫金屬的分離等當前亟需解決的問題，指出了需要深入研究的方向和解決問題的思路。

銅及銅合金焊接方法；銅及銅合金手工自蔓延焊接技術(shù)；潤濕性；解決思路

0 前言

銅具有優(yōu)良的電導性、熱導性、耐腐蝕性和延展性，且力學性能和加工性能良好，在石油石化、船舶、通信和電力系統(tǒng)廣泛使用。銅及銅合金可采用氣焊、手工氬弧焊、釬焊、TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊、激光焊、電子束焊、液相過渡焊等工藝方法實現(xiàn)焊接。近年來國內(nèi)外學者對不同焊接技術(shù)的原理、工藝和設備等作了較多的研究，使銅及銅合金的焊接技術(shù)不斷完善、焊接質(zhì)量得到了提高。但焊接質(zhì)量的高要求，使焊接設備的技術(shù)復雜性增加，便捷性降低。

而銅及銅合金的手工自蔓延焊接是以燃燒合成反應放出的熱量為高溫熱源，以燃燒合成反應的產(chǎn)物為填料，采用焊條電弧焊運條操作方式，實現(xiàn)焊接母材永久牢固連接的一種全新的自蔓延熔焊方法。對銅及銅合金的手工自蔓延焊接技術(shù)還未見報道，為解決焊接時焊縫金屬與母材的潤濕性，熔渣與焊縫金屬的分離等問題，當前銅及銅合金手工自蔓延焊接研究融合和借鑒了銅及銅合金的釬焊、活性焊等常規(guī)焊法以及手工自蔓延焊接技術(shù)來對其工藝參數(shù)及機理進行研究和分析。

1 銅及銅合金的焊接研究現(xiàn)狀

1.1 銅及銅合金的焊接影響因素

影響銅及銅合金焊接性主要有以下四方面因素：一是高熱導率的影響，銅的熱導率比碳鋼大7～11倍，當采用的工藝參數(shù)與焊接同厚度碳鋼差不多時，銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合[1]；二是焊接接頭的熱裂傾向大，焊接時熔池內(nèi)銅與其中的雜質(zhì)形成低熔點共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產(chǎn)生熱裂紋；三是產(chǎn)生氣孔的缺陷比碳鋼嚴重得多，主要是氫氣孔；四是焊接接頭性能的變化，晶粒粗化、塑性下降、耐蝕性下降等。

1.2 銅及銅合金焊接的研究現(xiàn)狀

1.2.1 焊法研究現(xiàn)狀

(1)氣焊。

紫銅焊接時最常用的是對接接頭，搭接接頭和丁字接頭盡量少采用。氣焊可采用兩種焊絲，一種是含有脫氧元素的焊絲，如絲201、202；另一種是一般的紫銅絲和母材的切條，采用氣劑301作助熔劑。氣焊紫銅時應采用中性焰。黃銅氣焊采用的焊絲有：絲221、絲222和絲224等，這些焊絲中含有硅、錫、鐵等元素[2]，能夠防止和減少熔池中鋅的蒸發(fā)和燒損，有利于保證焊縫的性能和防止氣孔產(chǎn)生。氣焊黃銅常用的熔劑有固體粉末和氣體熔劑兩類，氣體熔劑由硼酸甲脂及甲醇組成；熔劑如氣劑301。

(2)鎢極手工氬弧焊。

針對較厚銅板的焊接難點和易出現(xiàn)的焊接缺陷，文獻[3]提出了采用鎢極氬弧焊加焊劑的方法焊接銅板，解決了焊接中出現(xiàn)的缺陷。在進行氬弧焊前，用無水酒精將氣劑調(diào)成糊狀，涂于坡口兩側(cè)，除去氧化銅。焊接時硼砂在熔池中迅速與Cu2O發(fā)生作用，形成復鹽浮于熔池表面，反應如下：

硼酸在熔池中也與Cu2O反應形成復鹽，反應式如下：

形成的復鹽浮于金屬表面，對液體金屬有一定的保護作用。

(3)釬焊。

磷銅釬料的釬焊工藝性能好，能很好地潤濕銅及其合金，釬料中的P還可以還原氧化銅，還原后生成的氧化物成液態(tài)覆蓋于金屬表面防止氧化，因此釬焊銅時可不用釬劑，釬焊接頭具有較高的強度和導電性，且接頭的脆性比釬料本身小[4]。對添加了稀土元素 Ce 的 Sn－3.8Ag－0.7Cu 無鉛釬料的潤濕性和釬縫的力學性能進行了研究，實驗結(jié)果表明，Ce的加入也可以改善釬料的潤濕性。隨著Zn和Mn加入量的增多，黃銅釬料的鋪展面積會增大。通過對黃銅材料的金相組織和釬焊斷口的SEM觀察，分析了銅導管的脆斷，認為銅管氧含量過高，釬焊時被還原也是造成脆化的重要原因。天津焊接研究所柳英利等人[5]采用丙烷氣與壓縮空氣混合的火焰替代傳統(tǒng)氧乙炔的加熱方法，成功實現(xiàn)了紫銅管與黃銅視鏡體黃銅與紫銅件的自動火焰釬焊，釬焊后接頭耐壓 4MPa，無泄漏[6]。

另外，使用在黃銅絲狀釬料表面涂壓藥皮而制成的藥皮釬料，可直接進行釬焊，而無需另配釬劑。與銅釬劑一樣，藥皮的主要成分是硼砂、硼酸，為了保證藥皮黃銅釬料有良好的施焊工藝性能及優(yōu)良的防潮性及韌性，通過在藥粉中配以其他化合物并配制一種特殊的有機膠粘劑使藥皮黃銅釬料的性能達到理想的效果。研究結(jié)果表明：藥皮黃銅釬料具有優(yōu)良的釬焊工藝性能，液態(tài)釬料流動性好，成形美觀，可以代替一些特定型號的黃銅釬料[7]。

(4)活性劑焊接法。

活性劑焊接法在TIG應用較早，將活性劑與TIG焊結(jié)合的焊接方法通稱為A－TIG(Activating flux TIG)焊。A－TIG焊是通過調(diào)節(jié)活性焊劑中微量元素的組成和含量來達到控制焊縫成形和提高焊接質(zhì)量的目的。焊前在焊接區(qū)域涂敷適當?shù)幕钚詣┛稍龃蠛附尤凵睿瑴p少缺陷，改善焊縫成形，提高生產(chǎn)效率，是焊接技術(shù)前景的發(fā)展方向之一?；钚詣┨岣吆缚p熔深一是使電弧收縮，或改變電弧特性，提高了電弧的能量密度及對熔池的作用力，二是改變?nèi)鄢氐谋砻鎻埩α?，形成由熔池邊緣向熔池中心的金屬流動，促使熔池底部獲得更多的能量，熔深增大。這兩種作用機理與焊接方法焊接材料和活性劑成分有關(guān)?；钚詣θ鄢亓鲬B(tài)影響如圖1所示[9]。

(5)MIG焊。

一般情況下，對于厚度大于等于3 mm的鋁青銅、硅青銅和白銅較多選用MIG焊方法，厚度3～14mm或大于14 mm的銅及銅合金幾乎都選用MIG焊，因為熔敷效率高、熔深大、焊速快(一般為TIG焊的3～4倍)，焊縫成形好，內(nèi)外質(zhì)量優(yōu)良，在氬氣的保護下，熔池純凈，氣孔少，熱裂影響小，操作易掌握，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的經(jīng)濟效益要求[10]。

圖1 活性劑對熔池流動的影響Fig.1 Effect of active flux on flow of molten weld pool

(6)攪拌摩擦焊和熱攪拌摩擦焊。

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于20世紀90年代發(fā)明的一種用于低熔點合金板材的新型固態(tài)連接技術(shù)。在焊接過程中，由于攪拌頭的攪拌作用,黃銅和紫銅相互融合，且在熱與力的作用下發(fā)生塑性變形，使大量晶粒破碎，破碎的晶粒重新再結(jié)晶，這是攪拌摩擦焊的基本特征[11]。攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊的優(yōu)點外，還可進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接[12]。

熱攪拌摩擦焊是由NASA的Marshall空間飛行中心開發(fā)的用于改進攪拌焊的一種新的熔焊方法。這種方法可以連接異種材料和以較高的速度焊接。比起熔化焊和摩擦攪拌焊其優(yōu)點是對過程控制和優(yōu)化有更大的控制度，焊接后表面更為完善。

(7)激光焊。

激光焊接與其他傳統(tǒng)焊接工藝相比，有著許多優(yōu)點，最主要的優(yōu)勢之一就是激光束能集中于非常狹小的區(qū)域，從而產(chǎn)生高能量密度的熱源，該集中熱源較快熔化焊縫。在這方面，激光焊接可與電子束焊接相比，而且激光焊接還有著優(yōu)于電子束焊接的特點：激光焊接可在大氣壓下進行，而無需真空室，還可以在焊條和電子束達到的三維構(gòu)件內(nèi)部細微區(qū)域中實施[13]。Lampa 等人[14]采用 1 300 W CO2激光熔焊銅合金和不銹鋼，在焊接過程中，液態(tài)銅向近縫區(qū)鋼表層滲透，易出現(xiàn)滲透裂紋。T.A.Mai等人[15]采用350 W脈沖Nd:YAG激光器以熱導焊接方式熔焊銅合金和工具鋼精密薄件，發(fā)現(xiàn)當激光束作用在鋼一側(cè)0.2 mm，且限制鋼中銅含量小于2%時，熔合區(qū)無裂紋。

(8)其他焊法。

電子束焊由于其較低的熱輸入高能量密度過程控制精確。因其焊接過程全部在真空中進行故接頭成分純凈性質(zhì)優(yōu)良，可以在熱傳輸、傳能產(chǎn)能、低溫領(lǐng)域有很大的應用[16]。用電子束熔焊脫氧銅時，第一次焊易出現(xiàn)缺陷，再焊一次時則焊道成形良好。

液相過渡焊接法TLP是介于熔焊和壓焊之間的焊接方法，液相過渡焊接法一般有液相過渡擴散焊和共晶擴散釬焊。

1.2.2 工程應用上存在的問題

以上方法都是實現(xiàn)銅合金有效連接的方法。然而，對于實際的工程應用都有其自身的局限性。手工氬弧焊需要認真清理母材兩側(cè)油污、氧化皮，使它露出金屬光澤，前期工作復雜。釬焊存在工作效率低、加熱時間長、釬縫金屬晶粒粗大以及釬焊接頭疲勞強度低等缺點，不適用于應急焊接。攪拌摩擦焊對于接頭的形式要求苛刻，一般適合板材的焊接，另外需要嚴格控制焊接速度，焊接速度過快時，攪拌頭的摩擦產(chǎn)熱不足，不能使焊縫金屬達到焊接所需的熱塑性狀態(tài)，無法發(fā)揮攪拌頭的攪拌作用，成形較差，無法焊合。而銅及銅合金的手工自蔓延焊接技術(shù)是采用類似焊條電弧焊的操作方式，不需要電源、氣源及設備，對金屬表面銹蝕不敏感，可實現(xiàn)同種或異種金屬結(jié)構(gòu)焊接，焊接熱變形小，焊縫具有較高強度和防腐蝕性能，是緊急特殊情況下應急修復安裝的理想焊接手段。

1.3 銅及銅合金手工自蔓延焊接技術(shù)研究

1.3.1 手工自蔓延焊接的研究現(xiàn)狀

自蔓延焊接是指利用燃燒合成反應的放熱效應及其產(chǎn)物來焊接的技術(shù)，特別是在特種材料、特殊條件下的焊接中發(fā)揮著越來越重要的作用[17]。而手工自蔓延焊接是一種新的自蔓延熔焊方法。它利用了燃燒合成技術(shù)，焊接時點燃燃燒型焊條(見圖2)，放出大量熱量使受焊母材局部加熱熔化，凝固后形成牢固不可拆接頭，生成的金屬產(chǎn)物填充于焊接母材之間形成焊縫[18]。

手工自蔓延焊接研究表明：Ni可以與Cu和Fe互溶形成固溶體可在Cu－Fe合金焊接熔合表面區(qū)域形成連接的過渡層，獲得性能優(yōu)良的焊縫接頭[19]，而W主要起到細化晶粒的作用[20]。

1.3.2 銅及銅合金手工自蔓延焊接的研究現(xiàn)狀

圖2 燃燒型焊條結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the combustion welding rod

俄羅斯有類似燃燒型焊條的產(chǎn)品，但未查詢到其任何相關(guān)技術(shù)研究內(nèi)容。裝甲兵工程學院在類似技術(shù)的應用方面作了大量研究工作。軍械工程學院在對手工自蔓延焊接碳鋼進行了深入且富有成效的研究之后，對該技術(shù)的銅及銅合金手工自蔓延焊接進行了較為初步的研究分析。

1.3.3 銅及銅合金手工自蔓延焊接存在的問題及原因分析

前期的初步試驗表明，在目前的條件下，應用系列燃燒性手工自蔓延焊條進行對接焊接時會出現(xiàn)熔池內(nèi)熔融焊料于凝固前流走、有對母材的燒蝕現(xiàn)象、焊縫成形困難、強度低、存在夾渣(見圖3)、熔渣剝離難等現(xiàn)象，而異種銅合金母材焊接時由于熔融金屬對兩側(cè)母材潤濕性不同而偏向一方流動。能否實現(xiàn)簡單快速有效銅及銅合金同種或異種焊接也就成為制約手工自蔓延焊接推廣和應用的重要問題。問題原因是手工自蔓延焊接作為一種特殊的熔焊技術(shù)，在熱源、母材熔化、熔池特點、結(jié)晶機理等方面與普通熔焊存在著本質(zhì)的區(qū)別，且銅具有極大的導熱率，致使焊接過程中需要更大密度的能量，焊接過程生成的氧化亞銅易形成裂紋，氣體難以排出造成氣孔。

1.3.4 解決思路

焊接時焊縫金屬與母材的潤濕性、熔渣與焊縫金屬的分離等都是當前亟需解決的問題。軍械工程學院為改善當前銅及銅合金手工自蔓延焊接存在的問題，借鑒氬弧焊中加入焊劑去除裂紋，釬焊中加入合金劑改善潤濕性，活性焊中加入活性劑改善潤濕和增大熔深的機理，系統(tǒng)研究了燃燒合成焊接過程工藝參數(shù)和接頭組織對性能影響的規(guī)律。當前銅及銅合金的手工自蔓延焊接過程問題解決思路有：

(1)通過熱力學計算和實驗研究非均勻多元燃燒合成體系的熱力學條件和動力學過程，研究燃燒型焊條燃燒模式、燃燒波、燃燒過程及其影響規(guī)律，以解決焊接過程多元燃燒系燃燒機理問題。

圖3 斷口中的夾雜(2 000×)Fig.3 Slag inclusion in fracture

(2)通過采用焊藥的梯度功能設計來改善熔池形成前后對熱量以及填充金屬的不同需求及異種銅焊接問題。制作某些活性劑，通過涂抹在焊件表面可以增強對銅母材的均勻浸潤作用，增大熔深，使Cu2O轉(zhuǎn)變?yōu)閺望}進入熔渣，解決夾雜問題，消除裂紋氣孔。同時研究合金劑及微量活化元素對焊縫組織、焊接接頭力學性能和母材的潤濕、焊縫填充的影響規(guī)律。

(3)利用OM、SEM等進行合金成分和焊接熔渣的微觀組織觀察，過渡區(qū)兩界面的元素分布、元素存在形式以及相結(jié)構(gòu)進行分析。研究非平衡條件下富含 Al2O3的包含 Al2O3－Cu(BO2)2－2NaBO2等多元玻璃陶瓷焊接渣系，建立高含量Al2O3低凝固點的焊接渣系結(jié)構(gòu)模型，探討焊接熔渣與焊縫金屬的分離機理，對于解決熔渣與金屬的分離問題也至關(guān)重要。

2 展望

銅及銅合金焊接技術(shù)已然成熟且應用廣泛，其研究也必將隨著新技術(shù)的創(chuàng)新而深入。為達到較好地實現(xiàn)銅及銅合金手工自蔓延焊接的目的，需要融合借鑒銅及銅合金的常規(guī)焊法及手工自蔓延焊接技術(shù)的焊接機理進行大量試驗和理論分析。作為一種新型的焊接技術(shù)，工藝方面系統(tǒng)研究燃燒合成焊接過程工藝參數(shù)對焊接接頭組織性能影響的規(guī)律；機理方面研究活性劑和合金劑對焊縫組織、焊接接頭力學性能、母材的潤濕及焊縫填充的影響規(guī)律，都將有助于對銅及銅合金手工自蔓延焊接有較全面深入的認識，擴大其應用范圍。

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Investigation of copper and copper alloy's welding and discussion on manual SHS welding of copper and copper alloy

QU Li-feng，XIN Wen-tong，WU Yong-sheng，LI Zhi-zun
(The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Meaning of research on Copper and Copper Alloy's welding is of great importance because of the good property and abroad application.Technical characteristics of Copper and Copper Alloy's normal welding，like gas welding，brazing and soldering，activing welding，MIG welding，friction stir welding,thermit friction stir welding，laser welding，laser welding electron beam welding and Selfpropagating High－temperature Synthesis(SHS)welding was studied and classified in the paper as well as the analysis about domestic and foreign present situation of research.It is also analyzed that how normal welding can provide direction and guidance for the Manual SHS Welding Technology of Copper and Copper Alloy.Moreover，the present problem of manual SHS welding of copper and copper alloy is discussed，especially the wettability between welding seam and base metal，the separation between slag and welding seam on emphasis，and the further research orientation was indicated.

normal welding of copper and copper alloy；manual SHS welding technology of copper and copper alloy；wettability；solving route

TG457.13

C

1001－2303(2011)03－0055－05

2010－11－19

軍隊科研計劃資助項目

曲利峰(1986—)，男，河北懷安人，在讀碩士，主要從事自蔓延焊接開發(fā)與應用工作。