金屬材料焊接工藝 第3版 教案 31 銅及銅合金的焊接

授課教案首頁(yè)學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動(dòng)化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評(píng)價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)31授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：2、銅及銅合金的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：了解銅及銅合金的焊接性能力目標(biāo)：掌握銅及銅合金的特點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：要求學(xué)生熟悉銅及銅合金的焊接工藝特點(diǎn)。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方式：課堂提問(wèn)及作業(yè)作業(yè)和思考題：3．用于銅及銅合金焊接的方法有哪幾種？各有何優(yōu)、缺點(diǎn)？課后小結(jié)：填表說(shuō)明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問(wèn)15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識(shí)點(diǎn)1銅及銅合金的類型及性能特點(diǎn)按化學(xué)成分銅及銅合金分為純銅、黃銅、青銅及白銅等。1．純銅純銅中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.95%，具有很高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，良好的耐蝕性和塑性。在退火狀態(tài)（軟態(tài)）下塑性較高，但強(qiáng)度不高；通過(guò)冷加工變形后（硬態(tài)），強(qiáng)度和硬度均有提高，但塑性明顯下降。冷加工后經(jīng)550～600℃退火，塑性可完全恢復(fù)。焊接結(jié)構(gòu)一般采用軟態(tài)純銅。2．黃銅黃銅是指以鋅為主要合金元素的銅合金，表面呈淡黃色，因此稱黃銅。黃銅的耐蝕性高，冷熱加工性能好，導(dǎo)電性比純銅差，力學(xué)性能優(yōu)于純銅，應(yīng)用較廣泛。黃銅的牌號(hào)為H××，其中“H”是漢語(yǔ)拼音“黃”的第一個(gè)字母，后面“××”兩位數(shù)字表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余為鋅，例如H96表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%的黃銅。在黃銅中加入錫、鉛、錳、硅、鐵等元素就成為特殊黃銅，例如HPb59-1就表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%、鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、其余為鋅的特殊黃銅。3．青銅不以鋅和鎳為主要合金元素的銅合金統(tǒng)稱為青銅。青銅具有良好的耐磨性、耐蝕性、鑄造性能和力學(xué)性能。常用的青銅有錫青銅（QSn4-3）、鋁青銅（QAl9-2）和硅青銅（QSi3-1）等。4．白銅白銅為鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%的銅鎳合金。如在白銅中加入錳、鐵、鋅等元素可形成錳白銅、鐵白銅和鋅白銅。白銅可分為結(jié)構(gòu)用白銅和電工用白銅。在焊接結(jié)構(gòu)中使用的白銅不多。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段能力知識(shí)點(diǎn)2銅及銅合金的焊接性1．難熔合、易變形由于銅的導(dǎo)熱性很強(qiáng)（銅和大多數(shù)銅合金的熱導(dǎo)率比普通碳鋼大7～11倍），焊接時(shí)熱量從加熱區(qū)迅速傳導(dǎo)出去，焊件越厚散熱越嚴(yán)重。2．熱裂紋傾向大銅及銅合金的焊接裂紋一般出現(xiàn)在焊縫上，也有出現(xiàn)在熔合區(qū)及熱影響區(qū)，裂紋呈晶間破壞特征，從其斷面可以看到明顯的氧化色彩。（1）產(chǎn)生熱裂紋的主要原因銅與其中的雜質(zhì)可形成多種低熔點(diǎn)共晶引起熱裂紋。2）銅及銅合金中的雜質(zhì)Bi和Pb本身的熔點(diǎn)低，且在熔池結(jié)晶過(guò)程中與銅分別生成熔點(diǎn)很低的共晶組織Cu+Bi（熔點(diǎn)為270℃）和Cu+Pb（熔點(diǎn)為326℃），S能較好地溶解在液態(tài)銅中，但當(dāng)凝固結(jié)晶時(shí)，在固態(tài)銅中的溶解度幾乎為零，S與銅形成Cu2S，（Cu2S+Cu）的共晶溫度為1067℃，這些低熔點(diǎn)的共晶組織分布在枝晶間或晶界處，都將促使焊縫產(chǎn)生熱裂紋；3）接加熱時(shí)，熱影響區(qū)的低熔點(diǎn)共晶會(huì)重新熔化，在焊接應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。4）銅及銅合金焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力；純銅焊接時(shí)，焊縫為單相組織，且由于銅的導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊縫易生成粗大的柱狀晶。這些因素都會(huì)加劇熱裂紋的生成。（2）防止銅及銅合金熱裂紋的措施1）嚴(yán)格限制銅及銅合金中雜質(zhì)的含量。2）增強(qiáng)對(duì)焊縫的脫氧能力，一般是在焊絲中加入硅、錳、磷等合金元素進(jìn)行脫氧。3）選用能獲得雙相組織的焊接材料，使低熔點(diǎn)共晶分散、不連續(xù)，打亂柱狀晶的方向性，使焊縫晶粒細(xì)化。4）采用預(yù)熱、緩冷等措施減小焊接應(yīng)力。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段3．容易形成氣孔熔焊銅及銅合金時(shí)，氣孔傾向比低碳鋼大得多，引起氣孔的主要是氫和氧。減少和消除銅焊縫中的氣孔的主要措施一是減少氫和氧的來(lái)源，二是采取預(yù)熱措施來(lái)延長(zhǎng)熔池存在時(shí)間，使氣體易于逸出。另外還可以采用含有鋁、鈦等強(qiáng)脫氧劑的焊絲，也可以收到良好效果。4．焊接接頭性能下降（1）塑性顯著降低（2）導(dǎo)電性下降（3）耐蝕性降低改善接頭性能的措施主要是控制雜質(zhì)含量，減少合金元素的氧化燒損；其次是減少熱作用，必要時(shí)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力處理等。能力知識(shí)點(diǎn)3銅及銅合金的焊接工藝要點(diǎn)1．焊接方法由于銅的導(dǎo)熱性很強(qiáng)，焊接時(shí)應(yīng)該選用功率大、能量密度高的熱源，熱效率越高、能量越集中對(duì)焊接越有利。2．焊接材料（1）焊絲焊接純銅的焊絲中主要添加了Si、Mn、P等脫氧元素，對(duì)導(dǎo)電性要求高的純銅不宜選用含P的焊絲。在黃銅焊絲中常加入Si，Si可防止Zn的蒸發(fā)、氧化，還可提高焊縫金屬的抗裂性和耐蝕性。（2）焊條銅焊條分為純銅焊條和青銅焊條兩大類。由于黃銅中的Zn容易蒸發(fā)，極少采用焊條電弧焊，因此沒(méi)有黃銅焊條，必要時(shí)可采用青銅焊條。3．焊前準(zhǔn)備（1）接頭形式及坡口制備盡量不采用搭接接頭、T形接頭和內(nèi)角接頭，填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段應(yīng)采用散熱條件對(duì)稱的對(duì)接接頭和端接接頭，并根據(jù)母材厚度和焊接方法的不同，制備相應(yīng)的坡口。不同厚度（厚度差大于3mm）的純銅板對(duì)接焊時(shí)，厚度大的一端須按規(guī)定削??；開(kāi)坡口的單面焊對(duì)接接頭要求背面成形時(shí)，焊接過(guò)程中須在背面加成形墊板；一般情況下，銅及銅合金不宜立焊和仰焊。（2）焊前清理銅及銅合金對(duì)焊前清理的要求比較嚴(yán)格，經(jīng)清理合格的工件應(yīng)及時(shí)施焊。4．焊接工藝要點(diǎn)（1）鎢極氬弧焊（TIG焊）適合于薄板和小件的焊接與補(bǔ)焊。采用直流正極性，以使焊件獲得較多的熱量和較大的熔深。當(dāng)焊件厚度小于4mm時(shí)可以不預(yù)熱；4～12mm的純銅需要預(yù)熱至300～500℃，青銅和白銅可降至150～200℃（也可以不預(yù)熱）；硅青銅、磷青銅不預(yù)熱并嚴(yán)格控制道間溫度在100℃以下；補(bǔ)焊大尺寸的黃銅和青銅鑄件時(shí)，一般需要預(yù)熱200～300℃。如采用Ar+He混合氣體做保護(hù)氣焊接銅及銅合金可以不預(yù)熱。（2）熔化極氬弧焊（MIG焊）MIG焊是焊接中、厚板銅及銅合金的理想方法。采用直流反極性、大電流、高焊接速度進(jìn)行焊接。在焊件厚度大于6mm或用焊絲直徑大于1.6mm的V形坡口焊接時(shí)需要預(yù)熱，對(duì)于硅青銅和鈹青銅，根據(jù)其脆性及高強(qiáng)度的特性，焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力退火和500℃保溫3h的時(shí)效硬化處理。（3）焊條電弧焊焊前焊條要經(jīng)200～250℃、烘干2h，以去除藥皮吸附的水分。焊前及多層焊的層間要對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱純銅預(yù)熱溫度300～600℃；預(yù)熱應(yīng)在200～400℃之間；錫青銅和硅青銅預(yù)熱不應(yīng)超過(guò)200℃；磷青銅的流動(dòng)性差，預(yù)熱不超過(guò)250℃。為了改善接頭性能和減小焊接應(yīng)力，焊后應(yīng)對(duì)焊縫和接頭進(jìn)行熱態(tài)和冷態(tài)的錘擊。對(duì)性能要求較高的接頭，采用焊后高溫?zé)崽幚硐龖?yīng)力和改善接頭韌性。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段（4）埋弧焊板厚小于20mm的銅及銅合金工件可以不預(yù)熱、不開(kāi)坡口，采用埋弧焊獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，使焊接工藝大為簡(jiǎn)化。純銅、青銅的埋弧焊的焊接性能較好。1）焊絲與焊劑可選用高硅高錳焊劑（如HJ431、HJ430）獲得滿意的工藝性能也可選用氧化性較弱的HJ260、HJ150或陶質(zhì)焊劑。（2）焊接參數(shù)通常采用單道焊。應(yīng)選用大的焊接電流和高的焊接電壓；焊絲伸出長(zhǎng)度一般選擇20～40mm。厚度小于20mm的銅及銅合金采用不開(kāi)坡口的單面焊或雙面焊，厚度更大的工件最好開(kāi)U形坡口、較大的鈍邊（鈍邊為5～7mm），并采