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。


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 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。


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    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)。


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   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。


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   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)。


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注:板厚4~10mm開70°形坡口,鈍邊為1.5mm。




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