钢与纯铜组合的熔焊焊接性分析

在了解了铜及铜合金的同种金属熔焊焊接性之后，不难分析钢与铜及铜合金组合的异种金属焊接性。何况在分析同种金属焊接性时，是以低碳钢的焊接性为标准进行的比较分析，所以表3-2中所列的钢与铜及铜合金的焊接性基本特点就容易理解了。表3-2中所列的钢与铜及铜合金的焊接性特点实际上是钢+纯铜的焊接性特点，而不应含钢与黄铜或钢与白铜或钢与青铜的焊接特点。因为两者的差别很大，例如，纯铜和黄铜、青铜及白钢的热导率分别相差3倍、7倍及10倍，青钢的热导率几乎与低碳钢处于同一数量级，白铜的热导率比低碳钢还低。因此，钢与白铜、青铜组合的熔焊时，无需预热或可以低温预热。因此，在讨论钢与铜及铜合金异种金属焊接性时，也不能将纯铜（紫铜）作为铜及铜合金的共性代表铜材，而只能分别讨论四种铜材（纯铜、黄铜、青铜、白铜），对钢组合的异种金属焊接性才有实际意义和使用价值。

1.熔焊的冶金相容性

在Fe-Cu二元合金相图（见图1-6）中可以看到以下特点：

1）在Fe-Cu液态时无限互溶，固态时有限固溶，没有金属间化合物产生。

2）结晶区间很大（300～400℃），在结晶区间形成铁在铜中的有限固溶体ε相。

3）对于固态时的双相组织，当w（Fe）小于10%时，则合金组织为晶粒粗大的α相；当w（Fe）的在10%～43%区间时，固相为α+ε双相组织。

2.铁与铜的物理性能差异

1）铁与铜的物理性能差异很大，熔点相差300～400℃，属于高熔点金属与低熔点金属组合的熔焊，为此可以设计焊缝的化学成分应与低熔点金属相近或相同。若采用高熔点金属作为填充材料，往往会产生各种冶金缺陷。

2）热导率相差近十多倍。如果纯铜的相对热导率为100，则低碳钢为12，奥氏体不锈钢为5。熔焊时需要在铜一侧预热，并使热源（如电弧）偏向铜侧方能加热均匀，焊前预热，同时也是消除热应力的措施之一。

3）铜的线胀系数和收缩率比铁大15%和1倍以上，因热胀冷缩不同，焊缝结晶后会产生较大的热内应力，成为发生热裂纹的原因之一。

3.主要焊接缺陷(www.xing528.com)

铁与铜组合熔焊的焊接缺陷主要是裂纹和气孔。

（1）裂纹 裂纹有低熔共晶物和渗透裂纹两种。

1）低熔共晶物。焊缝产生低熔共晶物在较大的热应力条件下发生的热裂纹，低熔共晶物是指Cu+Cu₂O（熔点为1064℃，比Cu的熔点1083℃略低），或钢和铜中杂质（Bi、Pb、S、P等）超标产生的低熔共晶物Cu+Bi（270℃）、Cu+Pb（326℃）、Cu+CuS（1067℃）等，在纯铜中杂质不超标的条件下，氧是产生热裂纹的主要原因。Cu₂O溶于液态铜而不溶于固态铜。铜是次于铝而极易氧化的金属，在铜材加工，焊前预热及焊接过程中，都会产生铜的氧化膜附在固态铜和液态铜（熔滴及熔池）表面或溶于液态熔池中。氧的来源是空气和水汽的分解。

2）渗透裂纹。铁与铜组合熔焊易产生的第二种裂纹是所谓渗透裂纹，也属于液化裂纹或热裂纹的一种。渗透裂纹是在Fe+Cu焊缝近缝区钢一侧的边界上，在结晶区间（L+γ）温度条件下，表面张力极小的铜向钢的晶粒边界渗入，造成近缝区（半熔合区）的晶间或晶界偏析，在冷却后存在有较大的热应力条件下发生所谓渗透裂纹。

渗透裂纹和近缝区钢的组织状态有关，液态铜能浸润奥氏体，而不能浸润铁素体，所以如果是单相奥氏体（晶粒粗大），则容易产生渗透裂纹；如果是奥氏体+铁素体双相钢，就不容易产生渗透裂纹。图3-8是一条典型奥氏体不锈钢基体上的铜渗透裂纹外观。

图3-8 典型奥氏体不锈钢基体上的铜渗透裂纹外观（放大100倍）

（2）气孔 氢气孔是铁与铜组合熔焊时容易出现的焊接缺陷之一。如果焊缝金属是铜，则在液态熔池中氢会有极高的溶解度，焊缝凝固时氢在铜中的溶解度的突变，使得氢原子聚集逸出，来不及逸出便成为气孔，这是气孔产生的一般规律。但在焊缝为铜的条件下，氢气孔发生的敏感性更突出，因为氢在液态铜中的溶解度远远大于其他的液态金属，如铝或钢。此外，还有氧致气孔，如本章3.2.2节所说的“反应气孔”。

除渗透裂纹外，铁与铜组合异种金属熔焊产生的焊接缺陷与纯铜本身同种金属熔焊焊接缺陷产生的原因完全一样。但解决的办法则不一样。依靠选择合适的焊接方法及合理的工艺措施来获得合格的焊接接头。