钢与铜异种金属焊接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种钢与铜异种金属焊接方法。

背景技术：

由于钢和铜的熔点(钢熔点为1535℃，铜熔点为1083℃)、热导率(钢热导率为66.7w/(m·k)，铜热导率为395.8w/(m·k))、以及线膨胀系数(钢线膨胀系数为12×10^-6(1/℃)，铜线膨胀系数为16.8×10^-6(1/℃))等物理性能差别较大，因此焊接钢和铜的难度比较大，焊接钢和铜时容易存在以下问题：焊接过程中铜侧散热快，焊缝及铜侧熔合区极易产生裂纹。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种钢与铜异种金属焊接方法，能够降低冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷的发生。所述技术方案如下：

本发明提供了一种钢与铜异种金属焊接方法，所述方法包括：

分别对待焊接工件进行预热处理，所述待焊接工件包括钢工件和铜工件；

对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接，在焊接过程中，距离焊缝目标长度内的所述钢工件和所述铜工件温差小于目标温度，所述目标长度为20-30mm，所述目标温度为20-30℃。

可选地，所述对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接，包括：

将预热处理后的待焊接工件摆放至目标摆放位置，在所述目标摆放位置，所述钢工件和所述铜工件的焊接面相对，所述钢工件和所述铜工件位于同一平面，所述铜工件的焊接面距离水平面的高度低于所述钢工件的焊接面距离所述水平面的高度，所述钢工件和所述铜工件在第一竖直面上的投影与横轴的夹角为30-35°，所述钢工件和所述铜工件在第二竖直面上的投影与纵轴的夹角为30-35°，所述第一竖直面为经过所述横轴且与所述水平面垂直的平面，所述第二竖直面为经过所述纵轴且与所述水平面垂直的平面，所述横轴与所述纵轴均位于所述水平面上且所述横轴与所述纵轴垂直；

对位于所述目标摆放位置的钢工件和铜工件的焊接面进行焊接。

可选地，所述对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接，包括：

采用定位焊方式焊接目标焊接位置，所述目标焊接位置位于所述焊缝的两端；

在完成所述目标焊接位置的焊接后，采用连续焊接方式焊接在除所述目标焊接位置之外的焊接位置。

可选地，所述焊缝包括至少一个焊层，在焊接过程中，相邻所述焊层之间的温度大于或等于100℃。

可选地，所述对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接，包括：

通过熔化极惰性气体mig焊方式对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接。

可选地，所述mig焊方式采用的焊材为镍基合金焊丝，所述镍基合金焊丝中镍的质量分数大于或等于93％。

可选地，所述镍基合金焊丝的直径为1.6mm，焊接电流为130-170a，焊接电压为26-30v，焊速为40-50cm/min，保护气为ar且流量为20-25l/min。

可选地，所述分别对待焊接工件进行预热处理，包括：

分别对所述钢工件和所述铜工件进行加热处理，直到所述钢工件和所述铜工件的温度达到目标预热温度，所述钢工件的目标预热温度为100-150℃，所述铜工件的目标预热温度为200-250℃；

在所述钢工件和所述铜工件达到目标预热温度后，进行保温。

可选地，所述对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接，包括：

清理所述钢工件和所述铜工件的焊接面、以及距离焊缝目标长度内的所述钢工件和所述铜工件表面的杂质；

在杂质清理后，对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接。

可选地，在对所述钢工件和所述铜工件的焊接面进行焊接之后，所述方法还包括：

对所述钢工件和所述铜工件进行退火热处理。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本发明实施例通过在焊接过程中，控制距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件温差小于目标温度，能够避免铜侧散热快，进而能够降低焊接钢、铜异种金属时冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷的发生，保证焊缝质量及焊接接头强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种钢与铜异种金属焊接方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种钢与铜异种金属焊接方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的目标摆放位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为便于理解本发明实施例提供的技术方案，首先介绍一下熔化极惰性气体保护焊，其英文简称为mig(metalinertiagas/meltinertgas，熔化极惰性气体)焊，它是利用氩气或富氩气体作为保护介质，采用连续送进可熔化的焊丝与燃烧于焊丝工件间的电弧作为热源的电弧焊。

图1示出了本发明实施例提供的一种钢与铜异种金属焊接方法，参见图1，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、分别对待焊接工件进行预热处理。

其中，待焊接工件包括钢工件和铜工件。示例性地，钢工件为钢板，铜工件为铜板。铜工件的材质可以是纯铜或者铜合金。例如，铜工件的材质为20#钢，铜工件的材质为qal9-4铝青铜。

步骤102、对钢工件和铜工件的焊接面进行焊接。

其中，在焊接过程中，距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件温差小于目标温度，目标长度为20-30mm，目标温度为20-30℃。

示例性地，目标长度为20mm，目标温度为20℃。

本发明实施例通过在焊接过程中，控制距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件温差小于目标温度，能够避免铜侧散热快，进而能够降低焊接钢、铜异种金属时冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷的发生，保证焊缝质量及焊接接头强度。

图2示出了本发明实施例提供的一种钢与铜异种金属焊接方法，参见图2，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、分别对待焊接工件进行预热处理。

其中，待焊接工件包括钢工件和铜工件。在本实施例中，假设钢工件为钢板，铜工件为铜板，铜工件的材质为20#钢，铜工件的材质为qal9-4铝青铜。

其中，步骤201可以包括如下步骤a和步骤b。

步骤a、分别对钢工件和铜工件进行加热处理，直到钢工件和铜工件的温度达到目标预热温度。

其中，钢工件的目标预热温度可以为100-150℃，铜工件的目标预热温度可以为200-250℃。

示例性地，可以通过火焰枪分别对钢工件和铜工件进行加热处理。

步骤b、在钢工件和铜工件分别达到目标预热温度后，进行保温。

其中，当钢工件和铜工件的厚度不超过25mm时，保温时间为0.5～1小时。

示例性地，在加热过程中，用接触式测温计测量钢工件和铜工件的温度。当钢侧温度为100-150℃时，对钢工件进行保温处理；当铜侧温度为200-250℃时，对铜工件进行保温处理。钢工件和铜工件的保温时间可以相同也可以不同。需要说明的是，保温时间随工件厚度增加而增加，示例性地，工件厚度在25mm基础上每增加25mm，则需增加保温时间1小时。

步骤202、清理钢工件和铜工件的焊接面、以及距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件表面的杂质。

其中，目标长度可以为20-30mm，优选为20mm。示例性地，焊前用不锈钢丝轮仔细清理待焊接的表面及距焊缝位置20mm范围内的氧化皮、锈蚀、油脂、水等杂质。

步骤203、在杂质清理后，对钢工件和铜工件的焊接面进行焊接。

其中，步骤203可以包括如下步骤2031-步骤2032。

步骤2031、将预热处理后的待焊接工件摆放至目标摆放位置。

前文提到由于钢和铜的熔点、热导率，铜热导率为395.8w/(m·k))、以及线膨胀系数等物理性能差别较大，因此焊接钢和铜的难度比较大。在应用中发现，除了焊缝及铜侧熔合区极易产生裂纹之外，还存在以下问题：液态的铜或铜合金在高温下会还原为自由铜，熔融的铜原子沿奥氏体晶界扩展，削弱钢晶粒间的联系，铜渗透到钢中，因为铜的熔点和强度都比钢低很多，所以，铜原子的渗透会使钢出现铜脆现象，而且还会急剧减弱钢的强度。为了解决该问题，本发明实施例调整了焊接时钢工件和铜工件的摆放位置，能够减少铜和钢中出现异种元素的渗入(例如铜渗入到钢中)，进一步保证焊缝质量及焊接接头强度。其中，在目标摆放位置，钢工件和铜工件的焊接面相对，钢工件和铜工件位于同一平面，铜工件的焊接面距离水平面的高度低于钢工件的焊接面距离水平面的高度，钢工件和铜工件在第一竖直面上的投影与横轴的夹角为30-35°，钢工件和铜工件在第二竖直面上的投影与纵轴的夹角为30-35°，第一竖直面为经过横轴且与水平面垂直的平面，第二竖直面为经过纵轴且与水平面垂直的平面。横轴与纵轴均位于水平面上且横轴与纵轴垂直。优选地，钢工件和铜工件在第一竖直面上的投影与横轴的夹角为30°，钢工件和铜工件在第二竖直面上的投影与纵轴的夹角为30°。参见图3，铜板为t，钢板为g。

步骤2032、对位于目标摆放位置的钢工件和铜工件的焊接面进行焊接。

其中，在焊接过程中，距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件温差小于目标温度。示例性地，目标温度为20-30℃，优选为20℃。

示例性地，在焊接过程中，采用接触式测温仪测量铜、钢金属的温度，测量焊缝两侧20mm范围内铜钢金属的中心以及边界位置，要求温差≤20℃。若铜侧温度下降过快，铜钢温差过大，则需采用火焰枪对铜金属进行加热。

其中，在焊接过程中，焊接方向可以是斜向上(图3中箭头方向)，即从钢工件和铜工件的待焊接面的底端往顶端的方向。

其中，焊缝中焊层的数量可以不止一层。在焊接过程中，相邻焊层之间的温度大于或等于100℃。若焊接中断时间较长，如不能保证层间温度，需重新对工件进行预热。

其中，可以通过熔化极惰性气体保护焊mig焊方式对钢工件和铜工件的焊接面进行焊接。下面具体介绍一下mig焊方式的示例性工艺参数。

示例性地，mig焊方式采用的焊材为镍基合金焊丝，镍的质量分数可以大于或等于93％。实践证明，采用该焊材焊接铜钢双金属，可避免异种元素渗入。例如，镍基合金焊丝的牌号可以是erni-1，直径可以是1.6mm，焊丝成份及质量分数占比(质量分数单位为％)如下表1。参见表1，该镍基合金焊丝包括10种成分，c、cu、mn、fe、ni、al、ti、si、p、和s。镍基合金焊丝中，c的质量分数≤0.15、cu的质量分数≤0.25、mn的质量分数≤1、fe的质量分数≤1、ni的质量分数≥93、al的质量分数≤1.5、ti的质量分数2-3.5、si的质量分数≤0.75、p的质量分数≤0.03、和s的质量分数≤0.015。

表1

示例性地，当镍基合金焊丝的直径为1.6mm时，焊接电流为130-170a，焊接电压为26-30v，焊速为40-50cm/min，保护气为ar且流量为20-25l/min。其中，焊缝可以包括至少一个焊层。焊层的数量由钢工件和铜工件的厚度决定。当钢工件和铜工件的厚度均比较厚时，可以设置多个焊层，比如3个焊层；当钢工件和铜工件的厚度均比较薄时，可以设置1个焊层。

表2

参见表2，列出了3层焊层的焊接参数。第1层焊层的焊接电流为130-150a，焊接电压为26-28v；第2-3层焊层的焊接电流为150-170a，焊接电压为26-30v。在此工艺参数下，可减少焊接铜钢异种金属时异种元素渗入。

示例性地，步骤2032可以包括如下步骤。

第一步、采用定位焊方式焊接目标焊接位置。

其中，目标焊接位置位于焊缝的两端。焊缝为，钢工件和铜工件的焊接面上的整个焊缝。示例性地，目标焊接位置处的焊缝长度可以是30-40mm。参见图3，目标焊接位置如黑色填充块所示。需要说明的是，若定位焊焊缝若存在裂纹、气孔、夹渣等缺欠，则要完全清除。

第二步、在完成目标焊接位置的焊接后，采用连续焊接方式焊接除目标焊接位置之外的焊接位置。

其中，连续焊接时工件摆放位置与定位焊时位置相同，均在目标摆放位置。需要说明的是，在连续焊接时电弧需偏向钢一侧。示例性地，电弧对准钢工件一侧。

步骤204、完成焊接后，对钢工件和铜工件进行退火热处理。

焊接完成后，对工件进行退火热处理。示例性地，热处理初始进炉温度为100～150℃，逐步升至300～400℃后保温2～2.5小时，然后升温至500-560℃后保温1～1.5小时，然后随炉冷至200℃后，出炉空冷至室温。需要说明的是，前述退火热处理过程是适用于工件厚度在25mm以下的情况。当工件厚度在25mm上每增加25mm厚时，需增加保温时间1小时。

本发明实施例通过在焊接过程中，控制距离焊缝目标长度内的钢工件和铜工件温差小于目标温度，能够避免铜侧散热快，进而能够降低焊接钢、铜异种金属时冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷的发生，保证焊缝质量及焊接接头强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。