铜复合钢板的焊接技巧与方法

1.焊接性特点

铜复合钢板是覆层为铜或铜合金、基层为低碳钢或低合金钢的双层板。在本书第3章的3.2节中已经讨论过铜-铁的二元相图及铜与铁的物理、化学性能的差异，熟悉了钢与铜组合的异种金属焊接特点。铜-复合钢板的焊接属于钢与铜的异种金属焊接的一种特殊组合形式，铜-复合钢板的焊接和其他复合钢板的焊接的共同工艺特征是，采用加过渡层隔离的方法，实现基层、覆层分别进行同种金属的焊接，并分别选用同种金属焊接的工艺及材料。一般情况下，仍然采用基层焊接、过渡层焊接、覆层焊接的焊接顺序，焊接的技术关键仍然是过渡层的焊接材料与工艺的选择，因为只有过渡层的焊接是异种材料组合的焊接，过渡层焊缝金属应与基层和覆层金属都有冶金相容性。镍或镍_-铜合金是最合理的过渡层焊接材料。

钢与铜在高温时晶格类型、晶格常数及原子半径都非常接近，因此钢与铜在液态时可以无限互溶，固态时有限互溶，不产生金属间化合物；钢与铜的物理性能差异极大，熔点相差300～400℃，导热性相差十倍多（如果铜的热导率为100，则铁的热导率为12）。线胀系数铜比铁也大得多（15%～100%）。因此，铜为覆层、钢为基层的焊接会出现以下问题：

1）液态铜和液态钢直接接触，覆层铜被稀释而失去原有的耐蚀性及导电性。

2）液态铜进入液态钢，结晶时在基层会产生低熔点共晶体Cu₂O+Cu，在拉应力条件下，产生结晶裂纹。

3）液态铜与固体钢接触，铜原子会渗入钢的晶界，产生渗入裂纹。

如果在基层钢上堆焊一层镍或镍-铜合金，作为铜与钢隔离的过渡层，则上述三个问题可以得到解决。

2.焊接材料的选择

表5-24是铜复合钢板熔焊时，覆层为不同的铜及铜合金（纯铜、黄铜、青铜、白铜），过渡层及覆层焊接材料（焊条或焊丝）的选择表。

表5-24 过渡层及覆层焊接材料（焊丝或焊条）的选择表

3.坡口形式与尺寸

铜复合钢板对接焊时接头的坡口形式及尺寸见表5-25，其中有两种情况是先焊覆层，再焊过渡层，最后焊基层的坡口形式。

4.焊接工艺要点

1）覆层为纯铜时，其最佳焊接方法是采用体积分数为25%的Ar与75%He的混合惰性气体保护的MIG焊，覆层的焊接一般不需要预热。但当覆层厚度大于3.2mm时，预热温度不要超过150℃。

表5-25 铜复合钢板对接焊时接头的坡口形式及尺寸

2）如果采用焊条电弧焊时，则宜采用小直径焊条（ϕ1.6mm）及窄焊道。

3）焊过渡层前，应清除基层根部所有的残余物。(www.xing528.com)

4）焊后必须进行热处理，以消除残余应力。

5.白铜覆层与低碳钢基层的铜复合钢板的焊接实例

某大型盐厂的制盐设备蒸发室主体筒，采用宽为1.5m、厚为2mm+16mm的B30白铜覆层与Q235低碳钢基层的爆炸焊成形复合板作为主体材料，进行对接焊连接；蒸发室部分结构采用了B30白铜覆盖于Q235低碳钢上的塞焊衬里结构，需要塞焊连接。

（1）白铜复合钢板对接接头的焊接 其两种坡口形式与尺寸如图5-9所示，这两种坡口形式都能保证覆层和过渡层只焊各一道，且易于进行机械加工。基层采用J422焊条，打底焊时既要焊透，又不得污染覆层。焊满后进行翻身、清根。再以直流正接TIG焊焊接过渡层，只焊一道，采用ϕ3～ϕ4mm的纯镍焊丝，要求熔化B30白铜Q235低碳钢界面，但不得高出覆层外表面，焊后清理。最后采用ϕ2.5mm的B30白铜焊丝TIG焊焊接覆层，也只焊一道，使焊缝略高于复合板表面。

过渡层采用纯镍焊丝，并要求将纯镍焊丝清理到位，在小热输入的焊接参数下焊接，可以防止缺陷产生。该焊接结构已经运行近10年未见异常。

也有用硅青铜焊丝作为过渡层的焊接材料的试验，效果也可以，但采用蒙乃尔合金或铝青铜焊丝作为填充材料焊接时，在交界处和过渡层焊缝会出现裂纹，故不宜采用。

图5-9 坡口形式与尺寸

（2）白铜衬里结构的塞焊 B30白铜板覆盖于Q235低碳钢板上作为衬里的结构，其塞焊示意图如图5-10所示。先在Q235低碳钢板上开ϕ20mm×1mm的槽孔，以纯镍焊丝TIG焊填满凹槽后，打磨焊缝至与板面平齐成为过渡层，再覆上B30白铜板，开ϕ20mm通孔，对齐凹槽，以B30白铜焊丝进行TIG焊（塞焊），其焊接参数见表5-26。

图5-10 塞焊示意图

表5-26 塞焊焊接参数

6.纯铜管与覆层为T2纯铜与基层为Q345（16Mn）的复合钢板的管-板焊接异种热交换器的管-板焊接结构示意图，如图5-11所示，图中复合板采用5mm+40mm的T2纯铜与Q345钢（16Mn）爆炸焊制成。

焊接时不预热，在管口复合板上开工艺槽，以减少坡口的熔池热量损失，采用直流脉冲TIG焊方法，可不用填充金属。

图5-11 异种热交换器的管-板焊接结构示意图

直流脉冲TIG焊的脉冲有方波和三角波两种波形，这两种波形都可以获得良好的焊接结果。如果采用方波，其最佳焊接参数如下：脉冲电流为350～380A、脉冲电流维持时间为500ms、基值电流250A、基值电流维持时间为250ms。如果采用三角波，则最佳焊接参数为：电流峰值I_max为360～400A、上升时间t_up为50ms、平均电流I_min在220～280A之间、下降时间t_d为500ms。两种波形如图5-12所示。