用工业机器人焊接铜
铜和铜合金提供了独特的材料特性组合，使其成为许多制造环境的理想选择。它们因其优异的导电性和导热性、出色的耐腐蚀性、易于制造、良好的强度和抗疲劳性而被广泛使用。其他有用的特性包括耐火花性、金属对金属的耐磨性、低渗透性和独特的颜色。
铜焊接工艺
铜通常通过焊接连接。电弧焊工艺是首要关注的问题。可以使用保护金属电弧焊 (SMAW)、钨极气体保护焊 (GTAW)、气体保护金属电弧焊 (GMAW)、等离子弧焊 (PAW) 和埋弧焊 (SAW) 进行电弧焊。
使用气体保护的焊接工艺通常是首选，尽管 SMAW 可用于许多非关键应用。氩气、氦气或两者的混合物用作 GTAW、PAW 和 GMAW 的保护气体。通常，当手工焊接厚度小于 3 毫米、导热性低或两者兼而有之的材料时，会使用氩气。建议将氦气或 75% 氦气和 25% 氩气的混合物用于薄截面的机焊和具有高导热性的较厚合金截面的手工焊接。可以将少量氮气添加到氩气保护气体中以增加有效热输入。保护金属电弧焊可用于焊接各种厚度的铜合金。用于铜合金埋弧焊 (SAW) 的药皮焊条有 2.4 至 4.8 毫米的标准尺寸可供选择。
钨极气体保护焊
钨极气体保护焊非常适用于铜和铜合金，因为它的强烈电弧会在接头处产生极高的温度和狭窄的热影响区 (HAZ)。
在焊接铜时以及导热性更高的铜合金，电弧的强度对于以最小的周围高导热基体金属加热完成熔合非常重要。较窄的 HAZ 尤其适用于已沉淀硬化的铜合金的焊接。
许多标准钨或钨合金电极可用于铜和铜合金的 GTAW。通常考虑用于钨电极的选择因素通常适用于铜和铜合金。除了特定类别的铜合金外，钍钨（通常为 EWTh-2）因其更好的性能、更长的寿命和更强的抗污染性而成为首选。
气体-金属电弧焊
熔化极气体保护焊用于连接厚度小于 3 mm 的铜和铜合金，而 GMAW 优选用于截面厚度大于 3 mm 以及连接铝青铜、硅青铜和铜镍合金。
等离子弧焊
使用 PAW 焊接铜和铜合金可与这些合金的 GTAW 焊接相媲美。氩气、氦气或两者的混合物用于所有合金的焊接。焊接铜时切勿使用氢气。
与 GTAW 相比，等离子弧焊有两个明显的优势：
- 钨被隐藏并完全屏蔽，这大大减少了电极的污染，特别是对于具有低沸点温度成分的合金，例如黄铜、青铜、磷青铜和铝青铜。
- 构造的电弧羽流会产生更高的电弧能量，同时最大限度地减少 HAZ 的增长。与 GTAW 一样，也可以使用电流脉动和电流斜坡。等离子弧焊设备已经小型化以用于复杂的工作，称为微等离子焊接。
铜和铜合金的等离子弧焊可以自熔或使用填充金属进行。填充金属的选择与 GTAW 概述的相同。这个过程的自动化和机械化很容易执行，并且比 GTAW 更可取，因为 GTAW 污染会限制生产效率。 PAW 的焊接位置与 GTAW 的相同。然而，等离子锁孔模式已针对垂直向上位置的较厚部分进行了评估。一般来说，为 GTAW 提供的所有信息都适用于 PAW。
埋弧焊
厚规格材料的焊接，例如由厚板形成的管道，可以通过在颗粒焊剂下进行连续金属电弧操作来实现。有效的脱氧和熔渣金属反应以形成所需的焊缝金属成分是至关重要的，用于铜基材料的 SAW 工艺仍在开发中。此过程的变体可用于焊接熔覆或堆焊。铜镍合金应使用市售助熔剂。
合金冶金与焊接性
许多普通金属与铜形成合金以生产各种铜合金。最常见的合金元素是铝、镍、硅、锡和锌。将其他元素和金属少量合金化以改善某些材料特性，例如耐腐蚀性或可加工性。
九个铜和铜合金组：
- 铜，至少含有 99.3% 的铜
- 高铜合金，合金元素含量高达 5%
- 含锌量高达 40% 的铜锌合金（黄铜）
- 含高达 10% Sn 和 0.2% P 的铜锡合金（磷青铜）
- 铜铝合金（铝青铜），Al 含量高达 10%
- 含硅量高达 3% 的铜硅合金（硅青铜）
- 镍含量高达 30% 的铜镍合金
- 铜锌镍合金（镍银），含高达 7% Zn 和 18% Ni
- 特种合金，含有合金元素以增强特定性能或特性，例如可加工性。
许多铜合金都有通用名称，例如无氧铜 (99.95% Cu min)、铍铜 (0.02 至 0.2% Be)、Muntz 金属 (Cu40Zn)、海军黄铜 (Cu-39.5Zn-0.75Sn) 和商用铜青铜（Cu-10Zn）。
属性
铜合金的许多物理特性对焊接工艺都很重要，包括熔化温度、热膨胀系数以及导电性和导热性。某些合金元素会降低铜和铜合金的导电性和导热性。
可焊性
几种合金元素对铜和铜合金的可焊性有显着影响。少量挥发性、有毒的合金元素通常存在于铜及其合金中。因此，在焊接黑色金属时，对保护焊工和/或焊机操作员的有效通风系统的要求更为关键。
锌降低了所有黄铜的可焊性，其降低程度与合金中锌的百分比成正比。锌的沸点较低，因此在焊接铜锌合金时会产生有毒蒸气。
硅具有脱氧和助熔作用，对铜硅合金的焊接性具有有益影响。
锡
当锡的含量为 1% 至 10% 时，会增加焊接过程中的热裂纹敏感性。与锌相比，锡的挥发性和毒性要小得多。在焊接过程中，锡相对于铜可能优先氧化。结果将是氧化物夹带，这可能会降低焊件的强度。
顽固氧化物
铍、铝和镍形成顽固的氧化物，必须在焊接前去除。必须通过保护气体或助焊剂并结合使用适当的焊接电流来防止在焊接过程中形成这些氧化物。镍的氧化物对电弧焊的干扰小于铍或铝。因此，镍银和铜镍合金对工艺过程中使用的焊接电流类型不太敏感。含铍合金在焊接过程中也会产生有毒烟雾。
氧气
氧气会导致气孔并降低某些铜合金焊缝的强度，这些铜合金不含足够数量的磷或其他脱氧剂。氧气可能以游离气体或氧化亚铜的形式存在。最常用的焊接铜合金含有脱氧元素，通常是磷、硅、铝、铁或锰。
铁和锰不会显着影响含有它们的合金的可焊性。铁在某些特殊黄铜、铝青铜和铜镍合金中的含量通常为 1.4% 至 3.5%。锰通常用于这些相同的合金中，但浓度低于铁。
易加工添加剂
铅、硒、碲和硫被添加到铜合金中以提高可加工性。当需要无铅合金时，铋也开始用于此目的。这些次要合金化剂在提高可加工性的同时，通过使合金易于热裂而显着影响铜合金的可焊性。对可焊性的不利影响在大约 0.05% 的添加剂时很明显，并且随着浓度的增加而更加严重。就热裂敏感性而言，铅是合金化剂中危害最大的。
影响可焊性的因素
除了包含特定铜合金的合金元素外，其他几个因素也会影响可焊性。这些因素包括被焊接合金的热导率、保护气体、焊接时使用的电流类型、接头设计、焊接位置以及表面状况和清洁度。
热导率的影响
铜和铜合金在焊接过程中的行为受合金导热性的强烈影响。焊接具有高热导率的商用铜和轻合金铜材料时，必须选择电流类型和保护气体，以便为接头提供最大的热输入。这种高热输入抵消了头部从局部焊接区的快速消散。
根据截面厚度，导热系数较低的铜合金可能需要预热。层间温度应与预热时相同。铜合金不像钢那样频繁地进行焊后封头处理，但某些合金可能需要控制冷却速率以最大限度地减少残余应力和热脆性。
焊接位置
由于铜及其合金的高流动性，焊接时尽可能采用平面位置。水平位置用于一些角接头和T型接头的角焊。
沉淀硬化合金
最重要的沉淀硬化反应是用铍、铬、硼、镍、硅和锆获得的。焊接可沉淀硬化铜合金时必须小心，以避免氧化和不完全熔合。只要有可能，部件应在退火状态下进行焊接，然后对焊件进行沉淀硬化热处理。
热裂化
铜合金，例如铜锡合金和铜镍合金，在凝固温度下容易发生热裂。所有具有宽液相线到固相线温度范围的铜合金都表现出这种特性。严重的收缩应力会在金属凝固过程中产生枝晶间分离。通过减少焊接过程中的约束、预热以减缓冷却速度和降低焊接应力大小、减小根部开口尺寸和增加根部焊道尺寸，可以最大限度地减少热裂纹。
孔隙率
某些元素（例如锌、镉和磷）的沸点较低。这些元素在焊接过程中的蒸发可能会导致气孔。当焊接含有这些元素的铜合金时，可以通过提高焊接速度和使用低这些元素的填充金属来最大限度地减少孔隙率。
表面状况
焊接前应清除工作表面上的油脂和氧化物。可以使用钢丝刷或光亮浸渍。通常通过机械方法去除铝青铜和硅青铜表面上距离焊缝区域至少 13 毫米的米粒。铜镍合金上的油脂、油漆、蜡笔痕迹、车间污垢和类似污染物可能会导致脆化，应在焊接前去除。必须通过打磨或酸洗去除铜镍合金上的鳞屑；钢丝刷刷无效。
铜焊接合金
理想的电极材料应具有工具钢的抗压强度和银的导电性。不幸的是，不存在这样的材料。因此开发了几种不同的铜合金。所有 RWMA 推荐的材料都具有比纯铜更高的退火或软化温度，同时具有更高的抗压强度和耐磨性。由于铜已合金化以获得更高的强度和耐磨性能，因此导电性有所牺牲。
铜合金类：
1 类：此类最常用于焊接铝和其他高导电材料。这是 RWMA 合金中导电性最好的。它也是最软的（并且具有最低的强度和磨损特性）。
2类：该类铜合金是使用最广泛和推荐使用的铜合金。推荐用于多种钢合金。该材料推荐用于点焊、缝焊、凸焊和十字丝焊。其导电率略低于1类，但具有更高的强度和耐磨特性。
3 级：在主要三个等级的铜电极材料中，该等级的导电率最低，但强度性能最高。推荐用于要求高强度和耐磨性的大多数应用。
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