技术领域

本发明属于异种金属焊接技术领域，具体涉及一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法。

背景技术

在工业制造领域，单一金属制备的焊接结构已经不能满足使用要求，因此，为了保证焊接结构的使用性能，多数情况下会利用复合材料代替单一材料，来满足经济效益和结构强度两方面的要求。在大型变压器油箱制造领域，几乎全部使用铜钢异种金属焊接，这种结构具有屏蔽外界磁场、增加散热速度、保证箱体强度等优势。

然而，铜钢异种金属的焊接难度较大。这是由于两种金属的物理化学性质相差较大，焊接时会产生未熔合、气孔、渗透裂纹等多种焊接缺陷。其中，钢侧形成的渗透裂纹会降低接头强度，随着时间的推移裂纹可能会扩展、延伸，从而贯穿整个焊接接头，造成焊接结构失效。因此，必须设计一种合理的接头过渡形式，选择合理的焊接工艺，尽可能预防铜钢焊接过程中产生的各种焊接缺陷，从而提高结构件的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法，能够提高铜钢异种金属焊接接头的焊接质量及综合力学性能。

本发明所采用的技术方案是，一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法，具体操作步骤为：

步骤1：铜钢预置接头的制备：利用电弧增材技术制备合理规格的铜钢复合焊缝，作为预置接头；

步骤2：根据母材成分，选择相同成分的实心焊丝，采用熔化极气体保护焊，完成铜试板、钢试板与铜钢预置接头的焊接。

本发明的特征还在于，

步骤1中，铜钢预置接头的制备材料为φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝；铜钢预置接头的具体制备参数为：①钢侧：焊接电流为190～210A，焊接电压21～24V，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～18L/min；②铜侧：焊接电流为210～240A，焊接电压22～26V，焊接速度4～6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为15～18L/min。

步骤1中，利用电弧增材技术制备的铜钢预置接头的规格为：长×宽×高＝100mm×5～8mm×5mm。

步骤2中，铜试板为T2-Y紫铜板材，钢试板为Q345B板材；铜、钢试板的规格均为：长×宽×高＝100mm×50mm×5mm。

步骤2中，采用的实心焊丝分别为S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝，焊丝规格均为φ1.2mm。

步骤2中，铜钢预置接头与试板的焊接工艺参数为：①Q345B试板与预置接头的焊接：焊接电流为200～225A，焊接电压22～25V，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～18L/min；②T2-Y紫铜试板与铜钢预置接头的焊接：焊接电流为220～245A，焊接电压23～27V，焊接速度4～6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为15～18L/min。

本发明的有益效果是：

1.本发明方法采用预置接头代替传统焊缝，实现了异质焊接向同质焊接的转化，降低了焊接难度。

2.本发明方法利用电弧增材技术制备预置接头，后一层焊道相当于对前一层焊道进行了热处理，使得整个焊接接头的综合力学性能得以提升。

3.本发明方法可以降低异种材料由于热物理性质的差别，从而产生焊接缺陷的概率。

4.本发明方法不需要对T2-Y铜板进行焊前预热，提高了焊接效率。

附图说明

图1为试板与预置接头的装配焊接示意图。

图2为本发明实施例3的拉伸断口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法，如图1所示，具体操作步骤为：

步骤1：铜钢预置接头的制备：利用电弧增材技术制备合理规格的铜钢复合焊缝，作为预置接头；

步骤1中，铜钢预置接头的制备材料为φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝；铜钢预置接头的具体制备参数为：①钢侧：焊接电流为190～210A，焊接电压21～24V，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～18L/min；②铜侧：焊接电流为210～240A，焊接电压22～26V，焊接速度4～6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为15～18L/min；

步骤1中，利用电弧增材技术制备的铜钢预置接头的规格为：长×宽×高＝100mm×5～8mm×5mm。

步骤1中，每种材料堆焊三层，在增材过程中的每一层焊道都要进行机械打磨清理，防止夹杂；

步骤2：根据母材成分，选择相同成分的实心焊丝，采用熔化极气体保护焊，完成铜试板、钢试板与铜钢预置接头的焊接；

步骤2中，铜试板为T2-Y紫铜板材，钢试板为Q345B板材；铜、钢试板的规格均为：长×宽×高＝100mm×50mm×5mm；

步骤2中，对T2-Y紫铜、Q345B试板必须进行焊前清理。

步骤2中，采用的实心焊丝分别为S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝，焊丝规格均为φ1.2mm；

步骤2中，铜钢预置接头与试板的焊接工艺参数为：①Q345B试板与预置接头的焊接：焊接电流为200～225A，焊接电压22～25V，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～18L/min；②T2-Y紫铜试板与铜钢预置接头的焊接：焊接电流为220～245A，焊接电压23～27V，焊接速度4～6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为15～18L/min。

实施例1-5中，Q345B、T2-Y试板的规格均为100×50×5mm。

实施例1

步骤1，采用φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝制备预置接头。利用焊接机器人完成预置接头的增材制备，其接头规格为100×5×5mm，每种材料堆焊三层，每一层焊道都要用钢丝刷打磨，防止夹杂。具体的增材制备参数为：①钢侧预置接头的制备：焊接电流为190A，焊接电压21V，焊接速度5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15L/min；②铜侧预置接头的制备：焊接电流为210A，焊接电压22V，焊接速度4mm/s，惰性保护气体为体积比分为99.99％的纯氩气，流量为15L/min。

步骤2，对试板进行焊前清理，包括机械打磨、丙酮或酒精清洗。然后选择φ1.2mm的S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝作为焊缝填充金属，采用熔化极气体保护焊实现预置接头与Q345B、T2-Y紫铜试板的连接，两种板材的规格均为100×50×5mm。其施焊过程的具体参数为：①Q345B试板与预置接头的连接：焊接电流为200A，焊接电压22V，焊接速度5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15L/min；②T2-Y铜试板与预置接头的连接：焊接电流为220A，焊接电压23V，焊接速度4mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为15L/min。

实施例1中采用一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法所制备的焊接接头，经力学性能检测，抗拉强度为208Mpa，在T2-Y铜试板的热影响区部分断裂，断后延伸率为11.6％。

实施例2

步骤1，采用φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝制备预置接头。利用焊接机器人完成预置接头的增材制备，其接头规格为100×5.5×5mm，每种材料堆焊三层，每一层焊道都要用钢丝刷打磨，防止夹杂。具体的增材制备参数为：①钢侧预置接头的制备：焊接电流为200A，焊接电压22V，焊接速度5.5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16L/min；②铜侧预置接头的制备：焊接电流为220A，焊接电压23V，焊接速度4.5mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为16L/min。

步骤2，对试板进行焊前清理，包括机械打磨、丙酮或酒精清洗。然后选择φ1.2mm的S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝作为焊缝填充金属，采用熔化极气体保护焊实现预置接头与Q345B、T2-Y紫铜试板的连接，两种板材的规格均为100×50×5mm。其施焊过程的具体参数为：①Q345B试板与预置接头的连接：焊接电流为210A，焊接电压22.5V，焊接速度5.5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16L/min；②T2-Y铜试板与预置接头的连接：焊接电流为230A，焊接电压24.5V，焊接速度4.5mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为16L/min。

实施例2中采用一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法所制备的焊接接头，经力学性能检测，抗拉强度为188Mpa，由于预置接头中存在夹杂，使得接头强度下降，拉伸过程中在预置接头的铜侧发生断裂，断后延伸率为9％。

实施例3

步骤1，采用φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝制备预置接头。利用焊接机器人完成预置接头的增材制备，其接头规格为100×6.5×5mm，每种材料堆焊三层，每一层焊道都要用钢丝刷打磨，防止夹杂。具体的增材制备参数为：①钢侧预置接头的制备：焊接电流为205A，焊接电压23.5V，焊接速度6.5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16L/min；②铜侧预置接头的制备：焊接电流为235A，焊接电压25V，焊接速度5mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为16L/min。

步骤2，对试板进行焊前清理，包括机械打磨、丙酮或酒精清洗。然后选择φ1.2mm的S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝作为焊缝填充金属，采用熔化极气体保护焊实现预置接头与Q345B、T2-Y紫铜试板的连接，两种板材的规格均为100×50×5mm。其施焊过程的具体参数为：①Q345B试板与预置接头的连接：焊接电流为215A，焊接电压23V，焊接速度6.5mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16L/min；②T2-Y铜试板与预置接头的连接：焊接电流为235A，焊接电压25V，焊接速度5mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为16L/min。

结合附图2的断口显微示意图，可知断口处并未发现气孔、微裂纹等焊接缺陷，而且存在许多大而浅的韧窝，属于典型的韧性断裂。

实施例3中采用一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法所制备的焊接接头，经力学性能检测，抗拉强度为239Mpa，在T2-Y紫铜试板的焊接热影响区断裂，断后延伸率为14.2％。

实施例4

步骤1，采用φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝制备预置接头。利用焊接机器人完成预置接头的增材制备，其接头规格为100×8×5mm，每种材料堆焊三层，每一层焊道都要用钢丝刷打磨，防止夹杂。具体的增材制备参数为：①钢侧预置接头的制备：焊接电流为210A，焊接电压24V，焊接速度8mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18L/min；②铜侧预置接头的制备：焊接电流为240A，焊接电压26V，焊接速度6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为18L/min。

步骤2，对试板进行焊前清理，包括机械打磨、丙酮或酒精清洗。然后选择φ1.2mm的S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝作为焊缝填充金属，采用熔化极气体保护焊实现预置接头与Q345B、T2-Y紫铜试板的连接，两种板材的规格均为100×50×5mm。其施焊过程的具体参数为：①Q345B试板与预置接头的连接：焊接电流为225A，焊接电压25V，焊接速度8mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18L/min；②T2-Y铜试板与预置接头的连接：焊接电流为245A，焊接电压27V，焊接速度6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为18L/min。

实施例4中采用一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法所制备的焊接接头，经力学性能检测，抗拉强度为228Mpa，在T2-Y紫铜试板的热影响区断裂，断后延伸率为12.1％。

实施例5

步骤1，采用φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝和S211硅青铜焊丝制备预置接头。利用焊接机器人完成预置接头的增材制备，其接头规格为100×7×5mm，每种材料堆焊三层，每一层焊道都要用钢丝刷打磨，防止夹杂。具体的增材制备参数为：①钢侧预置接头的制备：焊接电流为200A，焊接电压24V，焊接速度8mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18L/min；②铜侧预置接头的制备：焊接电流为240A，焊接电压26V，焊接速度6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为18L/min。

步骤2，对试板进行焊前清理，包括机械打磨、丙酮或酒精清洗。然后选择φ1.2mm的S201紫铜焊丝、CHW50C6碳钢焊丝作为焊缝填充金属，采用熔化极气体保护焊实现预置接头与Q345B、T2-Y紫铜试板的连接，两种板材的规格均为100×50×5mm。其施焊过程的具体参数为：①Q345B试板与预置接头的连接：焊接电流为220A，焊接电压25V，焊接速度8mm/s，体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18L/min；②T2-Y铜试板与预置接头的连接：焊接电流为245A，焊接电压27V，焊接速度6mm/s，惰性保护气体为体积百分比为99.99％的纯氩气，流量为18L/min。

实施例5中采用一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法所制备的焊接接头，经力学性能检测，抗拉强度为220Mpa，在T2-Y紫铜试板的热影响区断裂，断后延伸率为11.8％。

综上五组试验的对比得出，利用本发明一种预置接头的铜/钢复合材料连接方法制备的焊接接头，焊缝表面成型良好，无明显的裂纹和夹杂现象。由于实现了异质材料连接向同质材料连接的转化，避免了渗透裂纹、气孔、未熔合等焊接缺陷的产生，使得焊接接头各方面力学性能相较于铜钢试板的直接焊接得到了大幅度提升。

五组实例中所制备的焊接接头力学性能如表1所示。

表1实施例1-5焊接接头力学性能

编号 抗拉强度/Mpa 断后延伸率/％ 实施例1 208 11.6 实施例2 188 9 实施例3 239 14.2 实施例4 228 12.1 实施例5 220 11.8