一、焊接性
不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，主要的問題是在焊縫及熔合區(qū)易產(chǎn)生裂紋。這種裂紋有焊縫裂紋和熱影響區(qū)滲透裂紋兩種形態(tài)。
1. 焊縫裂紋
不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，焊縫中產(chǎn)生的裂紋屬于熱裂紋。產(chǎn)生焊縫熱裂紋的原因在于，不銹鋼與銅及銅合金熔合的合金體系成分復(fù)雜，還含有硫、磷、氧等多種雜質(zhì)，因而在熔池結(jié)晶過程易出現(xiàn)低熔共晶體，包括Ni＋NiS之類（其熔點(diǎn)溫度為625℃），削弱了高溫時(shí)的晶間結(jié)合能力。眾所周知，不銹鋼與銅及銅合金的熱物理性能差異很大，見表5-82。從表中可以看出，不銹鋼和銅及銅合金的線脹系數(shù)大，因而焊后的收縮應(yīng)變力大，這是形成裂紋傾向在的又一個(gè)原因。此外，無論碳鋼、還是不銹鋼，都與銅及銅合金的熱導(dǎo)率相差較大，因此在焊接過程中的溫度場(chǎng)不對(duì)稱，因而應(yīng)變、應(yīng)力場(chǎng)也不對(duì)稱，也可能對(duì)焊接接頭產(chǎn)生裂紋有影響。當(dāng)以不銹鋼或銅及銅合金為填充材料直接熔焊，焊縫金屬中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)又較低時(shí)（如0.2％～1.1％），生產(chǎn)實(shí)踐證明焊縫的抗裂性能較差；焊縫金屬中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10％～43％時(shí)，焊縫具有最高的抗熱裂性能；但是進(jìn)一步提高焊縫金屬中鐵的含量，其抗裂性能卻迅速下降。
2. 熱影響滲透裂紋
不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，在與液態(tài)銅及銅合金相接觸的鋼中，易產(chǎn)生滲透裂紋。滲透裂紋是指低熔合金融體向固態(tài)合金的縫隙甚至晶界滲透，使之喪失應(yīng)變能力而導(dǎo)致的裂紋。在高溫時(shí)形成的裂紋可能以單條出現(xiàn)，也可能是沿晶界呈網(wǎng)狀分布，其長(zhǎng)度在幾微米到幾十微米之間。不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，不銹鋼熱影響區(qū)之所以產(chǎn)生滲透裂紋是液態(tài)銅及銅合金對(duì)鋼的滲透作用和焊接應(yīng)力共同作用的結(jié)果。在實(shí)際的工程金屬中常存在一些微小的缺陷，以條狀（實(shí)為片狀）夾雜、分層之類居多，接近于微觀裂口。處于液體狀態(tài)的銅及銅合金，如果固相鋼的微裂口（或晶界）表面是活性的，則會(huì)浸潤(rùn)到微觀裂口的表面，并通過毛細(xì)管效應(yīng)，慢慢向微觀裂口中滲透。在整個(gè)滲透過程中，也伴隨著鋼在銅及銅合金液體中溶解度的增加和銅沿鋼晶界的擴(kuò)散過程。進(jìn)入微裂口中的銅及銅合金沿晶界的滲透，在微裂口中產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力，另一方面焊縫從冷卻瞬間開始，在焊接接頭中就出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，并且這種應(yīng)力隨著不斷冷卻而增加。微裂口在這兩種應(yīng)力作用下，最后發(fā)展成為熱影響區(qū)滲透裂紋。
不銹鋼的組織狀態(tài)對(duì)滲透裂紋有很大的影響。液態(tài)銅及銅合金浸潤(rùn)奧氏體，但不浸潤(rùn)鐵素體，所以鐵素體的存在將使銅及銅合金的滲透能力降低。因此，不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，含有奧氏體＋鐵素體組織的18-8型不銹鋼與單一奧氏體組織的06Cr25Ni20不銹鋼鋼相比較，18-8型不銹鋼具有較高的抗熱影響區(qū)滲透裂紋的能力。
銅焊絲中含錫，其滲透力更強(qiáng)；而鎳則有減弱銅對(duì)鋼滲透力的作用。
二、焊接方法
不銹鋼與銅及銅合金熔焊的方法有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊等。
1. 焊條電弧焊
a. 焊條的選擇
焊條的選用對(duì)防止焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋，確保焊接構(gòu)件的質(zhì)量關(guān)系很大。不銹鋼與銅及銅合金焊接時(shí)，銅是奧氏體形成元素，若選用奧氏體不銹鋼焊條，其焊縫仍為奧氏體組織，結(jié)晶時(shí)晶粒之間存有一薄層的低熔點(diǎn)液態(tài)銅及低熔共晶體（Ni＋NiS），易引起裂紋，不宜采用。選用蒙乃爾型焊條［w（Ni）為70％，w（Cr）為(Ni+NiS)30％］時(shí)，由于焊縫中含鎳量較高，能增加銅在奧氏體中的溶解度，從而可降低銅的有害作用，熱裂紋傾向可以減小。但是晶粒間仍有少量的低熔點(diǎn)銅，因此焊接接頭還有可能產(chǎn)生熱裂紋；選用T107（ECu型）和T237（ECuAl-C型）焊條進(jìn)行施焊，熔池中銅含量較高，結(jié)晶時(shí)奧氏體晶粒間低熔點(diǎn)銅液較多，有一定愈合作用。因此焊縫熱裂紋傾向也較小，但熔入焊縫中的鐵和鉻等合金元素使焊縫金屬硬度提高，韌性下降，在不銹鋼母材側(cè)的近縫區(qū)中仍有可能產(chǎn)生滲透裂紋。因此，該焊條只適用于對(duì)力學(xué)性能要求不高的焊接構(gòu)件，通常可作為角接和塔接焊接接頭使用，也可以在中等厚度的奧氏體不銹鋼與銅及銅合金的對(duì)接接頭中使用。選用純鎳焊條是比較理想的，因?yàn)殒囋谝簯B(tài)或固態(tài)均可與銅無限互溶，所以能消除銅的有害作用，可有效地防止裂紋的產(chǎn)生，提高焊接接頭的力學(xué)性能，適用于不同位置的焊接，可焊接各種不同焊接接頭，材料厚度不小于1.5mm的材料均能施焊，但該種焊條價(jià)格昂貴。
上面介紹的只是用一種焊條焊接兩種金屬的情況。但實(shí)際情況要復(fù)雜一些。由于銅及銅合金的種類繁多，母材中某些合金元素過渡到焊縫后效果往往難以預(yù)測(cè)，常常使焊接性變差。在這種情況下可采用下列兩種方法：在銅及銅合金上，或在不銹鋼上，或同時(shí)在兩種母材上堆焊過渡層（見圖5-34a過渡層接頭），然后進(jìn)行焊接；另一種方法是選擇一種與這兩種都有良好焊接性的過渡件（見圖5-34b），然后通過過渡件分別選用不同的焊條將這兩種金屬焊接起來。
介紹一組不銹鋼與銅及銅合金的焊條電弧焊的焊接參數(shù)見表5-83?？蛇x蒙乃爾型焊條[w(Ni)為70％，w（Cr）為30％］或銅焊條（T237）。
b. 焊接工藝
焊前應(yīng)認(rèn)真清理被焊處，徹底清除油污、雜質(zhì)及氧化物，使不銹鋼和銅及銅合金的待焊表面露出金屬光澤。
由于銅的導(dǎo)熱性比不銹鋼好，若對(duì)這兩種材料進(jìn)行焊前預(yù)熱，其預(yù)熱溫度將有所不同。例如，不銹鋼焊前預(yù)熱溫度若為300～350℃，銅及銅合金的預(yù)熱溫度要提高到400～450℃，才有可能保證兩種金屬在焊接熔池中溫度差不大。預(yù)熱方式可采用爐加熱或氣體火焰加熱。
焊接不銹鋼與銅及銅合金時(shí)，為了使電弧穩(wěn)定燃燒，通常采用直流反極性短弧焊方式進(jìn)行施焊。
不銹鋼鋼管與純銅銅管焊接時(shí)，若被焊工件不轉(zhuǎn)動(dòng)，可采用爬坡滅弧焊；若被焊焊件可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則采用下坡焊。最后焊到焊道起點(diǎn)接頭處，先將電弧稍稍抬起，吹掉起弧端覆蓋的熔渣，隨后壓低電弧超過引弧端的一個(gè)熔池的長(zhǎng)度，再將電弧向回拉，以填滿弧坑。當(dāng)不銹鋼管與純銅管焊接時(shí)，將2/3的熔池面積控制在不銹鋼管一側(cè)，即可保證良好的焊縫成形；這兩種金屬的管子與管子或者板與板的對(duì)接焊時(shí)，熔池控制在接頭中間即可。
為了防止焊接接頭產(chǎn)生裂紋和變形，焊后需要進(jìn)行緩冷處理，以減緩焊后應(yīng)變應(yīng)力的增長(zhǎng)速率。每焊完一道焊縫，要立即錘擊焊縫周圍，以消除焊接殘余應(yīng)力，以防止下一道焊縫的開裂傾向；同時(shí)還能提高焊接接頭的致密性。
2. 埋弧焊
為了防止焊接接頭產(chǎn)生裂紋和氣孔，應(yīng)采取下述工藝措施：
a. 焊接之前要徹底清除待焊處的接頭、坡口兩側(cè)及焊絲表面的氧化物及雜質(zhì)，清理后用丙酮清洗干凈。
b. 板厚8～16mm的材料，焊前應(yīng)開70°坡口，銅母材側(cè)開40°坡口；在不銹鋼母材側(cè)開30°坡口。為了防止焊穿和實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，待焊接頭的背面應(yīng)加焊劑襯墊或銅襯墊（銅襯墊需用水強(qiáng)制冷卻），如圖5-35所示。另外，也可以采用最近出現(xiàn)的新型熱固性焊劑襯墊，圖5-36為該襯墊結(jié)構(gòu)示意圖。
c. 選用合理的焊劑和焊絲。通常采用HJ431焊劑或HJ430焊劑，焊前必須烘干，烘干溫度為200℃，烘干時(shí)間為2h。
采用奧氏體不銹鋼焊絲，施焊后焊縫金屬為奧氏體組織，從銅母材側(cè)熔入焊縫中的低熔點(diǎn)銅液聚集在奧氏體晶粒之間，易使焊縫形成裂紋。采用銅絲或鎳絲作為填充材料，熔池中含有大量銅和鎳，結(jié)晶時(shí)奧氏體晶粒間銅或鎳較多，有一定愈合作用，所以熱裂紋傾向很小。在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，采用純銅焊絲，在坡口中填放純鎳焊絲或鎳銅焊絲，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
d. 選擇合適的焊接熱輸入進(jìn)行施焊。由于銅的導(dǎo)熱性能好，采用較小的焊接熱輸入施焊，在銅母材側(cè)容易產(chǎn)生大量氣孔和未焊透、未熔合等缺陷，所以需要采用較大的熱輸入進(jìn)行焊接。用埋弧焊焊接18-8型不銹鋼板與純銅板對(duì)接焊的焊接參數(shù)見表5-84。在焊接過程中，焊絲偏向銅母材一側(cè)，偏離焊縫中心線的距離為5～6mm。
注：焊接時(shí)采用HJ431焊劑，焊絲為T2；在坡口中填加直徑2mm的鎳絲1～2根。
3. 氣體保護(hù)焊
由于氬氣保護(hù)可靠，熔池金屬不易發(fā)生氧化，用氬弧焊焊接不銹鋼與銅及銅合金時(shí)，其焊接接頭質(zhì)量很高。重要的焊接結(jié)構(gòu)均選用此焊接方法。
氬弧焊時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率和防止焊縫出現(xiàn)缺陷，應(yīng)注意下述事項(xiàng)：
a. 焊接時(shí)應(yīng)在引弧板上引燃電弧，電弧引燃后應(yīng)迅速移到銅母材側(cè)進(jìn)行局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度為300～400℃，預(yù)熱時(shí)要通入氬氣保護(hù)，以防氧化。
b. 采用短弧焊，電弧中心要偏向銅母材約2～4mm，使不銹鋼與銅受熱均勻，以防止不銹鋼一側(cè)受熱過多而產(chǎn)生燒穿、咬邊或銅母材受熱溫度不足而發(fā)生未焊透和未熔合等缺陷。
c. 焊接結(jié)束時(shí)，由于電弧熱作用已有較長(zhǎng)時(shí)間的積累效應(yīng)，熔池溫度高，應(yīng)提高焊接速度，并要注意填滿弧坑。
d. 焊后緩冷時(shí)，也應(yīng)通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，以免焊縫氧化。不銹鋼與銅及銅合金的氬弧焊焊接參數(shù)，可參照氬弧焊單獨(dú)焊接銅及銅合金的焊接參數(shù)。表5-85為用手工鎢極氬弧焊焊接純銅板對(duì)接接頭的焊接參數(shù)。焊絲可選用ERNi-1、ERNiCrFe-5、ERNi-CrFe-7和ERNiCr-3等型號(hào)。
注：板厚4～10mm開70°形坡口，鈍邊為1.5mm。
