铜合金焊缝的缺陷和射线检测初讨
支忆澄
苏州制氧机有限责任公司质量管理部
在小空气分离设备中，常采用铜或铜合金材料制造容器的设备。由于铜或铜合金其本身的化学成分、热物理特性和物理化学特性与低碳钢不同，因此铜和铜合金焊接性能和焊接加工中内外质量存在较大差异。
1 存在问题及原因
1．焊缝成形差
熔化焊接铜和铜合金时易产生母材难于溶合，坡口焊不透和表面成形差的外观。缺陷。在射线检测底片上反映为焊缝黑度变化大，表面缺陷易于内部缺陷混淆。
原因与铜的热物理性能有关。从表1可见，铜和铜合金的热导率比普通碳钢大7~11倍，焊接时大量的热从母材散失，加热范围扩大。母材厚度越大，散热越严重。尽管铜的比热容略小于铁，焊接区难于达到溶化温度。铜在溶化温度对表面张力比铁小1／3，流动性比钢大1～1．5倍，表面成形能力较差。
表1 铜与铁物理性能比较
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金属 |
热导率W／(m·K) |
比热容J／g·℃(20℃) |
线膨胀系数10-6K-1(20~100℃) |
表面张力×10-5N/cm |
收缩率% |
|
|
20℃ |
1000℃ |
|||||
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Cu |
393.6 |
326.6 |
0.3849 |
16.4 |
1300(1200℃) |
4.7 |
|
Fe |
54.8 |
29.3 |
0.4602 |
14.2 |
1833(1550℃) |
2.0 |
2．焊缝易产生裂缝
铜能与其中的杂质分别生成溶点为270℃的Cu+Bi、溶点为326℃为Cu+Pb、熔点为1064℃的Cu20+Cu、溶点为1069℃的Cu+Cu2S等多种低溶点共晶。它们在结晶过程中分布在枝晶间或晶界处，使铜和铜合金具有明显的热脆性。表现为：
(1)铜的氧化
虽然铜并不是很容易氧化的金属，但在液态时，铜要发生一定氧化，生成氧化亚铜(Cu20)与铜形成低熔点共晶体，分布在晶界上，使塑性降低，易产生裂缝。
(2)合金元素的蒸发和烧损
铜合金中的合金元素(锌、锡、铅、铝及锰等)比铜更容易氧化、蒸发和烧损，使合金成分发生变化引起焊缝性能下降，易产生裂缝。
同时，由于铜和铜合金的膨胀系数和收缩率较大，产生较大的收缩应力，焊接变形大，导致产生裂缝。另外，铜在高温时的低强度和低塑性，过饱和的聚集析出等作用，也是形成裂缝的因素。
在射线检测的底片上表现为：纵缝易在两端出现明显的黑线影象，环缝中裂缝影象出现在溶合线的几率较多。
3．易产生气孔
溶化焊接铜及铜合金时，气孔出现的倾向比低碳钢要严重。其原因：
(1)在液态时，大量氢气溶解在铜中，而在凝固和冷却过程中，溶解度大大减小。当焊缝金属冷却较快时，过剩的氢气来不及逸出，在焊缝及熔合区集聚而引成气孔。
(2)高温时，溶池的氧化亚铜与气体(H2、CO)反应，使铜还原而生成不溶解于铜液中的水蒸气和二氧化碳气孔。在焊缝金属凝固前，未能全部逸出，则会形成气孔。
(3)铜的热导率比铁大8倍以上，焊缝的冷却速度比钢要大得多，氢扩散逸出和水的上浮条件更差，形成气孑L的可能性急剧增大。
气孔在射线检测底片的各个位置都存在，有单个、链状和密集气孔。
2 解决的方法
在小型空气分离设备中，用黄铜合金制造容器的材料较薄，其焊接方法为手工氧—乙炔气焊。要减少上述缺陷的产生需注意以下几方面：
1．焊丝和焊接区域表面的油脂及污物必须仔细清除，露出金属光泽；
2．采用轻微的氧化焰或中型焰，对较厚的焊件需预热；
3．在焊接过程中应避免高温的焰心与熔池金属直接接触，在保证焊透的前提下，尽量加快焊接速度；
4．焊后，可在550~650℃的温度下进行消除焊缝应力和改善焊缝性能的退火热处理。
3 射线检测中注馐孪?br />1．因焊缝成型较差，在检测前必须认真检查焊缝表面质量，避免因外观缺陷造成误判或掩盖内部缺陷；
2．对薄板的铜合金用气焊接，其焊缝余高较大，射线检测时需用“高能量短时间”，减少焊缝对比度；
3．控制返修次数，防止因多次返修造成形变。
参考文献
[1]焊接手册第二卷．北京：机械工业出版社，1992
[2]焊接技术．北京：国防工业社，1975
[3]气焊技术．北京：煤炭工业出版社，1983