供稿|李艷，何峰，孫昊，謝龍

內容導讀 銅與不銹鋼在物理性能和化學性能方面存在很大的差別，兩者之間焊接性較差。本文采用合理的氬弧焊工藝進行了油管路中銅管與不銹鋼管之間的焊接，其焊縫成型良好，焊后檢驗合格，焊縫橫截面照片顯示焊縫區(qū)金屬固溶為一體，熔合線清晰。力學性能實驗結果中拉伸和彎曲檢驗均符合標準。

鋼是金屬結構中最常用的材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如穩(wěn)定的力學性能、良好的焊接性、熱穩(wěn)定性等。銅及銅合金都具有良好的導電性、導熱性和塑性，而且有一定的強度和良好的加工性能[1]，有些銅合金還具有較高的強度和耐蝕性。鋼與銅及銅合金的連接可以充分發(fā)揮各自的性能與特點，達到物盡其用的效果，并且可以大大節(jié)省材料，降低成本。目前公司某產品油管路中出現了銅與不銹鋼的焊接結構。新的焊接結構需要對其焊接性進行詳細的研究，針對此焊接結構，我們選擇合適的焊接材料、焊接方法并優(yōu)化焊接工藝，最終得出滿足設計要求的優(yōu)良焊縫。

實驗

材料

新開發(fā)油管路中的銅管材料為TP1，不銹鋼管材料為06Cr19Ni10，兩者規(guī)格均為?22 mm×2 mm（外徑×壁厚）。TP1 和06Cr18Ni9 的化學成分分別如表1 和表2 所示。

表1 銅管TP1 化學成分（質量分數） %

表2 06Cr19Ni10 化學成分（質量分數） %

焊接

焊接性分析

鐵–銅相圖如圖1 所示。鐵與銅在液態(tài)時互相無限固溶。兩者在固態(tài)時有限固溶，不形成金屬間化合物；當鐵向銅擴散時，形成有限溶解度的ε 相固溶體。在1094 ℃ 時，鐵在銅中的溶解度為4%，650 ℃ 時鐵在銅中的溶解度為0.2%，當溫度繼續(xù)降低時，溶解度將無明顯變化。而鐵和銅在高溫時的原子半徑、晶格類型和晶格常數以及原子的外層電子數等比較接近，這對原子間擴散是較為有利的因素，有利焊接連接。但是鐵和銅在熔點、熱導率、線膨脹系數和力學性能等物理性能方面的差異仍會給焊接造成許多困難。比如：銅的線膨脹系數比鐵大40%左右，鐵-銅合金的結晶溫度區(qū)間很大（約為300～400 ℃），加之又容易形成（Cu+Cu2O）、（Ni+Ni3S2）、（Fe+FeS）等多種低熔點共晶成分，這些共晶體將導致兩者之間的焊縫容易產生熱裂紋。焊縫中Fe 質量分數為0.2%～1.1%時，焊縫組織呈粗大的α 單相組織，抗裂性很差；隨著鐵含量的增加，焊縫逐步變?yōu)椋é?ε）雙相組織，特別當Fe 質量分數達到10%～43%時，焊縫抗裂性最好[2]。

圖1 鐵–銅二元相圖[2]

液態(tài)的銅或銅合金對近焊縫區(qū)鋼的晶界有著較強的滲透作用。在應力作用下易形成滲透裂紋。大量實踐數據表明，含Ni、Si、Al 的銅合金或其焊縫中加入V、Ti、Mn 等元素，可有效降低滲透裂紋傾向，比如Ni 質量分數高于16%的碳鋼焊縫就不會產生滲透裂紋。而含錫的青銅卻會發(fā)生嚴重的滲透裂紋現象。另外，鋼的組織狀態(tài)也是重要，比如液態(tài)銅不能浸潤鐵素體，卻可以浸潤奧氏體。所以銅與單相奧氏體鋼焊接容易產生滲透裂紋，而與奧氏體-鐵素體雙相鋼焊接就不容易產生滲透裂紋。

鐵與銅及銅合金焊接存在的問題主要有以下3 個方面[3]：焊縫易產生熱裂紋；熱影響區(qū)產生銅的滲透裂紋；焊接接頭力學性能降低。

針對上述銅與鐵的焊接特點，需要制定詳細的焊接工藝，進行油管路中銅管與不銹鋼管之間的焊接連接。

焊接工藝

針對上述特點，我們采用可獲得良好焊接接頭的氬弧焊方法來焊接油管路中的不銹鋼管與銅管。焊接參數如表3 所示。

表3 銅管TP1 與不銹鋼管06Cr19Ni0 焊接參數

對于焊材選用：若采用不銹鋼焊縫，則當焊縫含銅量達到一定比例時就會產生熱裂紋；若采用銅焊縫，則由于焊縫中溶入了Ni、Cr、Fe 等元素而使焊縫金屬變硬、變脆，或者銅滲入不銹鋼側近縫區(qū)奧氏體晶界也會使接頭變脆。本實驗采用了與銅、鐵均無限固溶的第3 種材料：鎳基合金焊絲作為填充金屬進行焊接，保證其焊接性，并將獲得較高的接頭強度和塑性。焊絲成分如表4 所示。

表4 鎳基焊絲化學成分（質量分數） %

此外，也可以用鎳或鎳基合金作為中間過渡層，來實現鋼與銅或銅合金的焊接[4]。另外在焊接過程中，應嚴格注意以下操作：

1）焊件接頭處銅管一側不開坡口，而在不銹鋼管一側開單V 形坡口。

2）采用氬弧焊（TIG）方法焊接時，因為銅的熱導率大，鎢極電弧必須偏離不銹鋼一側，而指向銅一側，距坡口中心約為5～8 mm，以控制不銹鋼的熔化量。

3）選擇鎳基焊材作為填充材料。目的是為了改善焊縫金屬的力學性能和防止產生銅滲透裂紋。

4）選擇合適的焊接技法：采用快速、不擺動的焊法。

5）本焊接方法本質上是一種氬弧焊-釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側的熔化量。對不銹鋼來說是屬于釬焊焊接，而對銅一側來說是屬于熔焊連接。

6）焊接過程中采用脈沖電流，降低焊接過程中銅側的熱輸入，防止銅的熱傳導效應。

結果及討論

外觀及無損檢測。

通過上述的工藝優(yōu)化后可得到優(yōu)良的銅與不銹鋼的焊縫，避免了銅與鋼之間焊接易出現的各種問題。圖2 為焊接試件的外部形貌的照片，在照片中可以看出焊縫表面形貌良好，成型漂亮。按照標準NB/T47013.2—2015 射線檢驗焊縫達到I 級焊縫標準，完全符合設計要求。

圖2 焊件外部形貌照片

宏觀檢測

圖3 為焊接試件的焊縫橫截面照片，從圖中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無裂紋，無其他焊接缺陷。從銅合金側可以看出，銅與焊材鎳基合金固溶為一體，熔合線清晰，焊縫成型良好。

圖3 焊件焊縫橫截面形貌照片

力學性能

將管件進行整管拉伸。共取樣兩根，進行拉伸實驗，得出抗拉強度分別為223 和218 MPa，均大于標準最低抗拉強度197 MPa，且試樣均斷裂為母材處。將整管均分4 部分，進行面彎和背完實驗，檢驗結果均無裂紋。說明焊接接頭的力學性能均達到設計和標準要求，得到優(yōu)良的焊縫。

結論

1）采用鎢極氬弧焊方法，鎳基合金Cu–Ni 焊絲作為焊接材料，實現了油管路銅管與不銹鋼管之間的焊接。通過優(yōu)化后的工藝，得到了表面成型優(yōu)良、無缺陷的焊縫。

2）本焊接方法本質上是一種氬弧焊–釬焊工藝，盡量減少不銹鋼一側的熔化量。對不銹鋼來說是屬于釬焊焊接，而對銅一側來說是屬于熔焊連接。

3）從焊縫橫截面形貌照片中可以看出，不銹鋼與鎳基焊材完全熔合，無裂紋，銅與鎳基焊材固溶為一體。

4）通過拉伸和彎曲實驗檢驗，銅與不銹鋼的焊接接頭的力學性能均滿足標準和設計要求，可以應用到實際生產之中。