在所有金属中,铜是最古老的,自从公元前3500年以来,铜就首次被用来制造工具和武器。焊工和冶金工作者因此可以声称拥有很长的血统!纯铜柔软、延展、易加工,但只能通过冷加工强化。它不发生相变,因此不能通过热处理硬化,如钢。这也适用于许多铜合金,使得任何热的应用都会软化冷加工合金,从而在热影响区中产生显著的强度损失。
铜和它的一些合金的两个附加特性是
高导热性,意味着许多接头需要预热,即使在相当小的厚度下也需要预热。
高的热膨胀系数,这意味着变形可能是一个问题,根部间隙在焊接过程中迅速闭合。
用一定范围的金属合金化可以用来改善机械性能和/或耐腐蚀性。这些合金可以方便地放入下面列出的九个单独的组中。除了那些列出有几个等级的含铅(Pb)或硒(Se)的自由加工合金。这些自由加工等级热短,对热裂纹非常敏感。虽然焊工或钎焊可以成功地接合,但最好避免焊工。
残余元素小于0.7%的纯铜
小于5%合金元素的高铜合金
高达40%锌(铜)铜合金
锡(锡)(青铜)小于10%的铜合金
小于10%铝(Al)的铜合金(铝青铜通常缩短为青铜)
小于3%硅(硅)(硅青铜)的铜合金
小于30%镍(镍)(铜镍合金)的铜合金
小于40%的Zn和小于18%的Ni(镍银)的铜合金
小于10%锡和小于4%锌的铜合金(红黄铜或炮铜)
含特殊合金
0.1-1.5%镉(Cd)
小于2.7%铍(Be)
0.6%~1.2%的铬(Cr)
0.1-0.2%锆(Zr)。
这组特殊合金能够沉淀硬化。
铜合金可与大多数传统的焊接工艺进行焊接,但弧焊工艺最常用的是气体保护电弧法。
纯铜合金
纯铜有三个等级:无氧铜,氧含量小于0.02%;含有0.1%的氧的坚韧的铜,以氧化铜的形式存在,磷(P)脱氧铜,0.05%的磷高达0.05%砷(As)。无氧铜具有最高的导电性,P-脱氧铜是压力容器和换热器中最常用的合金。无氧铜是最容易焊接的,但如果使用非脱氧填充金属,孔隙率可能是一个问题。
由于在晶界上形成氧化膜,在韧铜中的铜氧化物可导致热影响区的脆化。焊缝金属孔隙率,即使当使用完全脱氧填料金属时,也是氧化铜离解所引起的一个主要问题,当氢(H)存在时颗粒会发生氧化。
磷脱氧铜呈现较少的孔隙率问题,虽然焊缝金属孔隙率仍然可能形成,特别是在自动焊接。因此,重要的是,填充金属含有强的脱氧剂,最常见的是硅(Si)和锰(Mn)。氢控制也是必要的,所以当手工金属弧焊时,需要正确焙烧低氢电极。当TIG或MIG焊接时,需要干净、无油脂的电线杆和高纯度的保护气体。
最常用于焊接纯铜合金的两种填充金属是AWS A5.7ErCu、现在已取代的BS 2901部分3和ErCusi-A的C7,BS 2901的旧C9。ErCu通常含有0.4%的Si和Mn,0.8%的Sn以助于流动性;ErCuSi-A含有1%的Mn和3%的Si,并且是韧性沥青和P脱氧铜的优选填充金属。BS 2901第3部分已由BS EN ISO 2437 3:2009焊接材料替代。铜和铜合金熔焊用实心焊丝和棒材。
焊接用的保护气体是氩气、氦气和氮气或其中的两种或多种混合物。纯氩可用于TIG焊接,厚度约为2mm,MIG焊接可达到约5mm以上的厚度,氩氦混合物将提供更好的结果,具有更大的热输入和更少的熔合缺陷的风险。
氮气和氩气氮气混合物在过去已经被使用,在增加来自高电压氮弧的热输入方面获得了一些优点,但是这样的气体不是商业上可用的,而氩氦或氦屏蔽气体现在是优选的选择。铜的高导热率意味着不仅需要增加热输入的屏蔽气体,而且需要预热。