铜与钛组合的焊接方法及焊接工艺选择

1.QCr0.5铜合金与TC2钛合金组合的TIG焊

QCr0.5是铬青铜，它是铜和铬的固溶体，虽然该固溶体的溶剂是铜元素，但铜高度合金化以后其物理性能发生了与纯铜的很大差异，其热导率、电阻率及线胀系数等与低碳钢处于同一数量级，已经失去了工业纯铜的高热导性的特点。其同种金属熔焊焊接性较好，除了焊条电弧焊之外，对其他熔焊方法有较好的适应性；TC2（Ti4Al4.5Mn）属于α+β型双相组织钛合金，自身熔焊焊接性也属于良好，但不能热处理强化，只能在400℃以下工作。

QCr0.5与TC2组合的熔焊选择TIG焊，为使α+β相转变温度降低，获得与铜组织相近的单相β相钛合金，常采用加入含有Mo、Nb和Ta的钛合金中间过渡层，其成分为Ti+w（Nb）30%或Ti+w（Al）3%+w（Mo）6.5%～7.5%+w（Cr）9%～11%。此时，获得的钛与纯铜的焊接接头的抗拉强度σ_b可达216～221MPa，冷弯角为140°～180°。

QCr0.5铜合金与TC2钛合金TIG焊接时，若选用铈钨电极、铌过渡层和纯度为99.8%（体积分数）的氩气，可以获得优良的焊接接头，其焊接参数见表4-13。

表4-13 QCr0.5铜合金与TC2钛合金TIG焊的焊接参数

注：焊丝牌号为QCr0.5，电极为铈钨极。

2.T2与TA2组合及Ti3A与Ti3Al37Nb组合的TIG焊

T2与TA2组合及T2与Ti3Al37Nb组合的TIG焊，T2、TA2分别是工业纯铜与工业纯钛，Ti3Al37Nb是含铌的α型钛铝合金，其中的铝是α相稳元素。

厚度为2～5mm的TA2和Ti3Al37Nb两种钛合金与T2铜组合TIG焊的焊接参数及焊接接头性能见表4-14。由于这类异种金属焊后的焊接接头被加热到高于400～500℃使用时，焊接接头中会形成连续的金属间化合物层，这些金属间的化合物层明显地降低了焊接接头性能，因此该种接头不宜在高温加热场合下使用。

表4-14 两种钛合金与T2铜组合TIG焊的焊接参数及焊接接头性能

①试样经800℃保温5min。

TIG焊时的中间过渡层材料是，采用在TA2纯钛及钛合金Ti3Al37Nb一侧的坡口面上，用等离子弧喷镀法喷镀一层0.15～0.25mm的铜镀层。

3.铜与钛组合的扩散焊

采用扩散焊时，仍需要加中间过渡层材料，如Mo或Nb等，以防止产生金属间化合物和低熔点共晶体，以提高焊接接头的强度，表4-15给出了铜与钛组合扩散焊的焊接参数及焊接接头性能。

表4-15 铜与钛组合扩散焊的焊接参数及焊接接头性能

由表4-15可知，不加中间过渡层的焊接接头强度较低，采用电炉加热、焊接时间较长的扩散焊接头强度明显高于高频感应加热、焊接时间较短的扩散焊接头强度。焊前清理的工作很重要。图4-11为板厚5mm的T2纯铜与板厚8mm的TA2工业纯钛组合，采用真空扩散焊的焊接结构示意图。

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图4-11 铜与钛组合的真空扩散焊的焊接结构示意图

1—T2纯铜 2—焊接压力 3—扩散层 4—TA2钛合金 5—座板 6—真空室

焊前纯铜母材金属用三氯乙烯清洗干净，然后在体积分数为10%的硫酸溶液中浸蚀1min，再用蒸馏水洗涤，随后进行退火处理，退火温度为820～830℃，时间为10min。钛合金母材用三氯乙烯清洗干净后，在体积分数为2%的HF和体积分数为50%的HNO₃水溶液中，用振动方法浸蚀4min，去除氧化膜，用水和酒精清洗干净后，立即按工艺要求组装后放入真空炉内进行焊接。其焊接参数为：焊接温度810℃、焊接时间10min、焊接压力5～10MPa、真空度1.3332×10^-8～1.3332×10^-9MPa。按照焊接技术条件，也可以在铜与钛合金的组合接头之间加入铌作为中间过渡层材料。

4.铜与钛组合的TIG-钎焊

TIG-钎焊的TIG电弧只是钎焊的加热热源，焊件本身不熔化，钎料是铜与钛组合焊接的最好的中间过渡层，但这种组合实质上是钎接，所以接头强度不高，接头形式特殊，必须满足钎焊工艺的要求。

有关文献介绍了铜与钛组合的TIG-钎焊工艺，摘录如下，仅供参考。

（1）工况 某些特殊容器的材质为TA1。直径为50mm，壁厚2mm，接管材质为纯铜，规格为ϕ8mm×2mm，要求铜与钛之间组合的焊接连接。

（2）焊接方法的选择 铜与钛之间的物理性能相差较大，两者的互溶性又很小，却易形成脆性金属间化合物和低熔点共晶体，采用熔焊并不理想。为此选择母材不熔化的钎焊方法，以TIG焊的保护手段和电弧热作为热源来熔化钎料，形成焊接接头。

（3）焊接工艺

1）接头形式。采用插入式补强接头，以增大钎接面积，接头间隙为0.05～0.15mm。焊前采用丙酮清洗。

2）钎料。ϕ2mm的BAg65CuZn（HL306）钎料，与钛、铜均能良好润湿，熔点也不高。

3）焊接参数。焊接电流50A（起始电流为5A）、钨极直径2.5mm、喷嘴直径ϕ10mm、氩气流量10～15L/min、直流反接施焊。

4）操作要点。填充钎料角度要低，始终使钎料处于Ar气流保护之下，且其端部始终在“阴极雾化”区内。Ar气的保护作用一直延续到焊缝冷却待到常温为止。

（4）结果分析 这种TIG钎焊方法的优点在于TIG焊热量集中，用Ar保护代替钎剂，不存在钎剂残留的腐蚀性问题，Ar气流对近缝区的冷却作用，使热影响区变窄。尤其是直流正接的阴极雾化作用，可击碎表面氧化膜，形成良好结合。接头焊接后工作正常。

5.铜与钛组合的热压焊（钛-铜复合板的热轧法制造工艺）

钛-铜复合板的热轧法制造工艺，实质上是异种金属（Cu+Ti）组合的热压焊接法。即使是压焊，只要加热不到熔化温度，就会发生铜-铝之间组合的低熔点共晶体。因此，必须加入中间过渡层。扩散焊是如此，热压焊也是如此，爆炸焊也同样。

钛-铜复合板用热轧法或爆炸焊接法制造，中间最好加入厚0.10～0.15mm的铌作为中间层，以防止前述因加热所引起的问题发生。另外，为防止氧化，加热及轧制都必须在真空中进行。

铜与钛组合的爆炸焊，为保证焊接接头具有稳定而良好的力学性能，也必须加热铌中间层，中间层厚度随母材金属厚度而改变，一般在0.3～1.0mm范围内。