冯涛

摘 要：本文通过比较铜和铁的参数，简单介绍了钢与铜或铜合金的焊接方法、每一种焊接方法的优点及缺点，以及如何使用。探讨了扩散焊如何选择扩散中间材料，加入镍层的目的。

关键词：熔化焊 固相压力焊 渗透裂纹 钨极氩弧焊 金属埋弧焊 奥氏体不锈钢 韧窝型

在核电站、航空航天、化工、冶金、机电等领域中都能见到钢与铜或铜合金之间形成的复合焊接接头。复合焊接有如下优点：一方面钢与铜或铜合金连接能形成满足各种特殊需求的金属结构，特别是既要求具有高强度，又要求具有高导电性和导热性能的工件；另一方面，在钢上堆焊铜合金能改善工件表面的性能，如能提高耐磨耐蚀性能、增强润滑和密封能力等。

由二元相图可以看出，铜和铁的原子半径、晶体类型、晶格常数、原子外层电子数等较为接近。二者在液相中能无限固溶；二者在固态时，虽只能有限固溶，但并不会形成脆性金属间化合物，而是形成“x+ε”的双相组织，其中α相是Cu（<0.3%）在铁中形成的固溶体，ε相为Fe（<0.2%）在铜中形成的固溶体。这些都是钢与铜或铜合金焊接的有利因素。但是铜与铁的熔点、导热系数、热膨胀系数等参数又存在较大的不同，易在焊接接头产生应力集中，导致形成焊接裂纹，这对获得优质焊接接头是不利的，使焊接具有较大困难。

一、钢与铜或铜合金焊接的方法

钢与铜或铜合金焊接的方法主要有熔化焊和固相压力焊。当用铜焊丝在钢表面进行熔化堆焊时，由于母材中Fe、Cr、Ni等元素的融入，以及氧与铜的强烈亲和作用和多种低溶共晶体的存在，常常使焊缝金属区脆化，导致铜未焊透、气孔、夹杂、裂纹和烧穿等施焊处结晶组织晶粒粗大。另外，在焊接过程中，液态铜或铜合金向所接触的近缝区钢表层渗透，即沿微裂纹浸润深入以及沿晶界扩散发展等形成“渗透裂纹”，是熔化焊接中另一个会产生的主要问题。“渗透裂纹”的产生原理是：在应力的作用下，液态铜原子在毛细管效应作用下，渗透到裂纹尖端和沿晶界扩散，使得晶界表面能降低。铁铜的表面能比铁铁的界面能低两倍，使得晶界强度弱化。液态铜在微裂纹壁上还会产生一个附加压力，从而导致微裂纹进行扩展。

二、钨极氩弧焊（TIG）的优缺点

用钨极氩弧焊（TIG）焊接铜与钢，其优点是：

首先，氩气是惰性气体，既不与熔池金属发生化学反应，也不溶于液态金属。因此，焊接时不易产生气孔，合金元素也不会被烧损。氩气的密度比空气大1.25倍，覆盖在熔池周围时会形成坚实的氩气隔离层，从而能获得优良的焊缝。

其次，氩气在电离时产生的正离子，其质量和动能较大，在电磁力的作用下，会向阴极高速运动，当工件为负极时会受到氩气正离子的撞击，破坏工件表面的氧化膜，产生一定的清理作用。

再次，施焊部分可见度好，适合各种位置焊接，容易实现机械化和自动化。

最后，熔池液态金属流动性好，对母材的润湿性高，焊接工艺性好，焊缝的强度高，气密性好。

但是，氩弧焊时不易控制分配施加给两种金属的电弧热量，铜在用氩弧焊焊接时有热裂倾向。

三、硬钎焊和钎焊的优缺点

采用硬钎焊（铜-磷-锡焊膏）和钎焊（氧-乙炔）时，其特点是无镉、无银。然而采用钎焊时焊接接头常会出现气孔、夹渣、未焊透等焊接缺陷，使得接头的性能严重下降。焊接结束后对钎剂要进行严格的清洗，否则制品容易腐蚀。也有采用异种金属埋弧焊，但是这种焊接方法易出现咬边和熔合不良等问题，特别是当焊接电流过大时，导致不锈钢稀释率偏大，从而出现宏观片析，导致焊接裂纹。

四、固相压力焊的优缺点

采用固相压力焊，如扩散焊、摩擦焊和爆炸焊等，能够获得优质的钢与铜或铜合金焊接接头。但是受焊接条件的限制，这些方法只能应用于一些特殊的构件和零件。在铜与港扩散焊时通常加一个中间扩散层，其材料可以有钛、镍、银、含铍合金等。正确选择扩散中间材料是比较重要的，因为选择不当会造成：降低接头的耐温能力、导致显微组织破坏；降低接头的强度、导致热力学的不相容性。

加中间扩散层材料的目的是填充间隙及随后与基体金属进行扩散反应，形成基体金属和中间材料间的较大硬度差。

选择扩散中间材料的原则是待焊基体金属低合金化的改型材料。如非合金化的钛或钛合金的中间扩散层等，镍用于含镍基高温合金的扩散焊等。

在铜-不锈钢接头中加入镍层的主要目的是降低扩散焊温度、降低扩散焊压力、缩短扩散焊的保持时间、提高扩散系数、除去不需要的元素、防止金属间化合物、在不锈钢中提高其抗SCC的能力等。

中间材料的使用方式有：电镀、蒸气层积、喷溅、薄垫或粉末等。扩散中间层的允许厚度<0.25mm，一般为0.01～0.02mm。

（作者单位：山东省邹城市技工学校）endprint