Сварка меди и ее сплавов

Категория:
Сварка различных металлов


Сварка меди и ее сплавов

Свариваемость меди. Медь сваривается плохо ввиду ее высокой теплопроводности, жидкотекучести и повышенной склонности к образованию трещин при сварке.

Теплопроводность меди при комнатной температуре в 6 раз больше теплопроводности технического железа, поэтому сварка меди и ее сплавов должна производиться с увеличенной погонной тепловой энергией, а во многих случаях с предварительным и сопутствующим подогревом основного металла.

При переходе из твердого состояния в жидкое медь выделяет большое количество тепла (скрытая теплота плавления), поэтому сварочная ванна поддерживается в жидком состоянии более длительное время, чем при сварке стали. Повышенная жидкотекучесть меди затрудняет ее сварку в вертикальном, горизонтальном и особенно в потолочном положениях.

Водород в присутствии кислорода оказывает отрицательное действие на свойства меди. Водород, проникающий в медь при повышенных температурах сварки, реагирует с кислородом закиси меди, образует водяной пар, который, стремясь расшириться, приводит к появлению мелких трещин. Это явление при сварке меди называют «водородной болезнью». Если сваривать медь покрытыми медными электродами без подогрева свариваемого изделия (с быстрым охлаждением), то возникают горячие трещины.

Однако при сварке с подогревом, создающим условия медленного охлаждения, водяной пар в большинстве случаев до затвердевания металла выходит наружу; небольшая часть водяного пара остается между слоем сварочного шлака и поверхностью металла шва. В результате этого поверхность металла шеэ после удаления шлака становится неровной, с мелкими углублениями («рябой»), что можно избежать при очень медленном охлаждении шва.

Чем больше содержится кислорода в свариваемой меди, тем значительнее проявляется «водородная болезнь».

Примеси в меди мышьяка, свинца, сурьмы, висмута и серы затрудняют сварку. Они практически не растворяются в меди, но образуют с ней легкоплавкие химические соединения, которые, находясь в свободном состоянии, располагаются по границам зерен и ослабляют межатомные связи. В результате под действием растягивающей усадочной силы в процессе охлаждения сварного соединения образуются горячие трещины. Поэтому содержание каждой из вредных примесей — кислорода, висмута, свинца в меди и в сварочных материалах — не должно быть более 0,03%, а для особо ответственных сварных изделий — 0,01%.

Коэффициент линейного расширения меди больше коэффициента линейного расширения железа, в связи с чем сварочные деформации при сварке конструкций из меди и ее сплавов несколько больше, чем при сварке сталей.

Виды сварки меди. При изготовлении сварных конструкций из меди наибольшее распространение получили следующие виды сварки плавлением: дуговая сварка угольным электродом, плавящимся электродом, под флюсом и в защитных газах; газовая сварка.

Дуговая сварка меди производится при повышенной силе сварочного тока, что обусловлено значительной теплопроводностью меди. Кромки свариваемых деталей соединяются с минимальным зазором из-за высокой жидкотекучести меди. Иногда применяют сварку на стальной подкладке.

Медные листы толщиной более 6 мм следует сваривать с предварительным подогревом до 150—250 °С. Тонкие листы (менее 5 мм) после сварки проковывают в холодном состоянии, а толстые (5—20 мм)—при температуре 200—400 °С. Нагревать медь для проковки выше 400 °С не рекомендуется, так как при высоких температурах она становится хрупкой. Ковка выполняется молотком со сферическим бойком. Ковка должна производиться с двух сторон сварного соединения нанесением ударов перпендикулярно шву сначала по зонам сплавления, затем по средней части шва и в конце по зоне термического влияния. Повторять удары по одному месту нельзя, чтобы избежать образования трещин от наклепа.

Для придания металлу сварного соединения вязкости и пластичности после проковки рекомендуется нагреть его до температуры 550—600° С и быстро охладить в воде. Эта термообработка гарантирует мелкозернистое строение металла.

Листы большей толщины нужно подготовить со скосом кромок под углом 60—90°.

Сварку ведут длинной дугой (10—15 мм), при этом удобнее манипулировать электродом и присадочной проволокой. Конец присадочной проволоки, должен находиться между концом электрода и расплавленной ванной, не погружаясь в нее. Расстояние между присадочным металлом и изделием должно быть постоянным и минимальным по величине. При увеличении расстояния

происходит усиленное разбрызгивание металла и ухудшается формирование шва.

Для сварки применяют постоянный ток прямой полярности при напряжении дуги 40—50 В. На обратной полярности дуга между угольным (графитовым) электродом и изделием неустойчива и может поддерживаться только при малой ее длине.

При сварке прутками из фосфористой бронзы можно в качестве флюса применять смесь состава: 94—96% буры, 6—4% магния металлического в порошке.

Флюс наносится в разделку и на присадочный пруток. Сварку во избежание окисления и большого роста зерна ведут быстро и по возможности в один проход.

Сварка меди покрытыми металлическими электродами дает удовлетворительное качество в случаях, если свариваемая медь содержит кислорода не более 0,01%. При содержании в меди кислорода в количествах более 0,03% сварные соединения имеют низкие механические свойства.

Для сварки меди применяют электроды марки «Комсомолец-100». Состав покрытия электрода «Комсомолец-100» следующий: плавиковый шпат—12,5%, полевой шпат—15%, ферромарганец Mnl, Мп2 —47,5%, кремнистая медь (73—75% меди, 23—25% кремния, не более 1,5% примесей) — 25%.

Сварку ведут в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности. При сварке листов толщиной более 6 мм требуется предварительный подогрев основного металла до 300—400 °С.

Газовая сварка медных листов толщиной до 10 мм выполняется пламенем мощностью 150 дм3 ацетилена/ч на 1 мм толщины металла. Листы большей толщины сваривают пламенем из расчета 200 дм3/ч на 1 мм толщины металла. Сварку лучше производить одновременно двумя горелками с двух сторон восстановительным пламенем, с тем чтобы не допускать образования в сварочной ванне окислов меди. Сварка меди науглероживающим пламенем не допускается, так как при этом образуются поры и трещины в шве вследствие образования газов С02 и Н20 по реакциям: C0+Cu20—*C02+2Cu и H2-fCu20—>H20+2Cu.

Шов заполняется за один слой. Многослойная газовая сварка вызывает перегрев металла и трещины в швах. Чтобы избежать перегрева меди, сварку следует вести с высокими скоростями нагрева и охлаждения сварных соединений.

Металл толщиной до 2 мм сваривают встык без присадочного материала, при толщине 3 мм и более применяют V-образный скос кромок с углом раскрытия 90° и притуплением 1,5—2 мм. Толстые медные листы сваривают встык с Х-образной разделкой кромок в вертикальном положении одновременно с двух сторон двумя горелками. Присадочной проволокой служит чистая медь или медь с содержанием раскислителей: фосфора до 0,2% и кремния до 0,15—0,30%. Проволоку подбирают диаметрами от 1,5 до 8 м в зависимости от толщины свариваемых листов; проволока диаметром 8 мм употребляется для листов толщиной 15 мм и более.

Газовая сварка меди производится с флюсами, которыми пользуются при дуговой сварке угольным электродом.

Высокое качество сварного соединения получают, применяя газофлюсовую сварку, при которой порошкообразный флюс засасывается ацетиленом и подается непосредственно в пламя горелки от специальной установки КГФ-2-66, разработанной ВНИИ-автогенмашем.

Применение проковки сварных соединений еще более улучшает механические свойства сварных соединений.

Сварка латуни. Латунь представляет собой сплав меди с цинком; температура плавления латуни 800—1000 °С.

При дуговой сварке из латуни интенсивно испаряется цинк; расплавленный металл поглощает водород, который не успевает выделиться ири затвердевании жидкого металла в сварочной ван»

в результате чего в шве образуются газовые поры. Водород попадает в сварочную ванну из покрытия, флюса или воздуха.

Сварка латуней покрытыми электродами находит ограниченное применение, в основном для исправления брака литья. Это объясняется сильным испарением цинка при дуговой сварке по сравнению с газовой сваркой, дуговой под флюсом или дуговой в защитном газе.

Для дуговой сварки латуни применяют электроды с покрытием ЗТ, разработанные Балтийским заводом в Ленинграде. Состав электрода следующий: стержень из кремнемарганцовистой бронзы Бр. КМц 3-1, содержащей 3% кремния и 1% марганца; покрытие из 17,5% марганцовой руды, 13% плавикового шпата, 16% серебристого графита, 32% ферросилиция 75%-ного, 2,5% алюминия в порошке. Сварка ведется постоянным током при обратной полярности короткой дугой с целью снижения выгорания цинка. От вытекания металла стык защищают прокаленной асбестовой подкладкой с обратной стороны стыка. При толщине листов до 4 мм сварку ведут без разделки кромок. При толщине листов более 4 мм разделка кромок такая же, как и для стали. После сварки шов проковывают, а затем отжигают при 600—650°С для выравнивания химического состава и придания металлу мелкозернистой структуры.

Сварку латуни можно выполнять угольным электродом на постоянном токе при прямой полярности с применением флюсов.

При сварке латуни угольным электродом используют флюсы. Наибольшее распространение получил флюс БЛ-3 состава: 35% криолита, 12,5% хлористого натрия, 50% хлористого калия, 2,5% древесного угля.

Латунь толщиной до 10 мм сваривают без подогрева, более 10 мм — с подогревом до 300—350 °С.

Газовая сварка латуней обеспечивает лучшее качество сварных соединений, чем дуговая покрытыми электродами. Для уменьшения испарения цинка сварку латуни ведут окислительным пламенем; при этом на поверхности сварочной ванны образуется жидкая пленка окиси цинка, препятствующая его испарению. Избыточный кислород окисляет часть водорода пламени и поглощение жидким металлом водорода уменьшается.

Для удаления окислов меди и цинка при газовой сварке пользуются флюсами того же состава, что и при дуговой сварке меди угольным электродом.

Для уменьшения испарения цинка и поглощения сварочной ванной водорода конец ядра пламени должен находиться от свариваемого металла на расстоянии в 2—3 раза большем, чем при сварке стали.

Для газовой сварки латуней ВНИИавтогенмаш разработал присадочную проволоку марки J1K62-05 (ГОСТ 16130—72), содержащую 60,5—63,5% меди, 0,3—0,7% кремния, остальное — цинк. В качестве флюса при сварке этой присадочной проволокой применяют прокаленную буру.

ВНИИавтогенмаш для сварки латуней разработал самофлюсующую присадочную проволоку ЛКБ062-02-004-05 (ГОСТ 16130—72), содержащую 60,5—63,5% меди, 0,1—0,3% кремния, 0,03—0,1% бора, 0,3—0,7% олова, остальное — цинк. Бор, входящий в состав проволоки, выполняет функции флюса. Применение другого флюса при сварке этой проволокой не требуется.

Хорошее качество газовой сварки латуней достигается применением флюса БМ-1 (разработан ВНИИавтогенмаш), состоящего из 25% метилового спирта и 75% метилбората, или флюса БМ-2, состоящего из одного метилбората. Эти флюсы вводятся в сварочную ванну в виде паров. Ацетилен пропускается через жидкий флюс, находящийся в особом сосуде (флюсопитателе), насыщается парами флюса и подается в горелку. Борный ангидрид В203 является флюсующим веществом. Применение флюса БМ-1 повышает производительность сварки, дает металл шва с высокими механическими свойствами и обеспечивает почти полную безвредность процесса для сварщика.

Сварка бронзы. Бронза — это сплавы меди с оловом (3—14% — оловянистые бронзы), кремнием (до 1%—кремнистые бронзы), марганцем, фосфором, бериллием и др. Обычно бронзы применяются для изготовления литых деталей.

Сварные соединения марганцовистой бронзы (0,2—1% марганца) отличаются высокой пластичностью и прочностью, несколько превышающей прочность сварных соединений меди.

Бериллиевые бронзы, содержащие до 0,05% бериллия, образуют сварные соединения с удовлетворительной прочностью.

Содержание более 0,5% бериллия в медном сплаве приводит при сварке к окислению бериллия; образовавшиеся окислы с трудом удаляются из сварочной ванны. Поэтому качество сварных соединений из таких бронз невысокое.

Существует несколько десятков марок бронз. По свариваемости бронзы значительно отличаются друг от друга, поэтому и технология сварки бронз разнообразна.

Сварку бронзы можно выполнять угольным электродом с присадочным металлом, покрытыми электродами и неплавящимся (вольфрамовым) электродом в защитной среде аргона. При сварке угольным электродом устанавливается прямая полярность; напряжение дуги — 40—45 В; сварочный ток — 25—35 А на 1 мм диаметра электрода. В большинстве случаев требуется предварительный подогрев до температуры 300—400 °С.

При сварке металлическими покрытыми электродами берется обратная полярность; сварка на переменном токе производится с осциллятором при повышенном токе.

Обычно присадочный материал подбирают так, чтобы его химический состав был одинаковым с химическим составом свариваемого металла.

При сварке угольным электродом оловянистой бронзы применяют присадочный металл в виде прутков с химсоставом: 8% Цинка, 3% олова, 6% свинца; фосфора, железа и никеля —0,2—0,3% каждого, остальное — медь.

Сварку марганцовистой бронзы (например, Бр.Мцб) выполняют электродами «Комсомолец-100», обязательно с предварительным подогревом до 400—500° С. Для сварки алюминиевых и алю-миниевоникелевых бронз (исправление дефектов литья) можно применять электроды АНМц/ЛКЗ-АБ с предварительным подогревом до 150—300 °С. Сварка выполняется на постоянном токе при обратной полярности короткими участками.

Как правило, бронзы сваривают в нижнем или наклонном (до 15°) положении.

Газовая сварка бронз ведется восстановительным пламенем, так как при окислительном пламени происходит выгорание легирующих элементов (олова, алюминия, кремния). Мощность пламени устанавливают 100—150 дм3 ацетилена/ч на 1 мм толщины свариваемого металла. При сварке пользуются теми же флюсами, что и для сварки меди и латуни.

Газовая сварка бронз дает прочность сварных соединений, равную 80—100% прочности свариваемого металла.

—-

Медь обладает хорошей пластичностью и прочностью, высокими показателями коррозионной стойкости, электро- и теплопроводности и вакуумной плотности. Благодаря этим свойствам медь применяется во многих отраслях промышленности: химической, электротехнической, судостроении и др. В технике используют техническую медь разной степени чистоты: МО, Ml, М2, МЗ, М4 и ее сплавы. Все сплавы на основе меди можно разделить на два типа: латуни (Л) и бронзы (Бр.) Латунь — сплав меди с цинком при содержании цинка более 4%. Применяют латуни простые, легированные только цинком, и специальные латуни, которые кроме цинка содержат и ряд других легирующих компонентов. Бронзы представляют собой сплавы меди, содержащие не более 5—6% цинка (обычно менее 4%).

Основными трудностями при сварке меди являются следующие:
1. Легкая окисляемость в расплавленном состоянии. Медь взаимодействует с кислородом. Закись меди, выпадая по границам зерен, способствует образованию горячих трещин, охрупчиванию и снижению коррозионных свойств.
2. Склонность к образованию горячих трещин при образовании окисла Cu20 и наличии серы, висмута и других вредных примесей резко охрупчивающих металл.
3. Высокая чувствительность к вредному влиянию водорода. Расплавленная медь хорошо растворяет водород и при наличии в ней закиси меди Cu20 подвержена «водородной болезни». Водяные пары в данных условиях создают в затвердевшем металле большое давление и вызывают появление «волосяных» трещин, которые могут привести к разрушению изделия. Кроме того, водород вызывает пористость сварных соединений в связи с различной растворимостью в расплавленной и твердой меди и образованием водяных паров.
4. Склонность к росту зерна и связанному с этим охрупчиванию под влиянием сварочного нагрева.
5. Наряду с отмеченными имеются еще трудности и особенности, которые необходимо учитывать при сварке; прежде всего обеспечение требуемых эксплуатационных свойств сварных соединений, например коррозионной стойкости, обеспечение электропроводности, равной с основным металлом и др. Дополнительными технологическими трудностями при сварке меди являются высокая теплопроводность, высокий коэффициент линейного расширения, жидкоте-кучесть.

Способы и технологию сварки выбирают с учетом рассмотренных особенностей и трудностей. Одна из главных задач — не допустить образования и нейтрализовать вредное влияние закиси меди Си20. С этой целью для защиты используют инертный газ, флюсы и покрытия, содержащие борные соединения (бура, борный ангидрид, борная кислота) и сварочные проволоки с активными раскислителя-ми, например, широко используют проволоки из бронз Бр. К.МцЗ-1, содержащую кремний (—3%), марганец (~1%); МНЖКТ5-1-0,2-0,2, содержащую никель (~5%), железо (~1%), кремний (~0,2%), титан <~0,2%); Бр. Х0,5, содержащую хром (~0,5%), и др.

Основными видами сварки меди являются ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродом, газовая.

Медь и ее сплавы обладают высокой жидкотекучестью, поэтому сварку проводят в нижнем положении на подкладках.

Медь как металл высокой пластичности хорошо сваривается всеми видами термомеханического класса, кроме контактной. Контактная сварка затруднена в связи с высокой электропроводностью меди и малым переходным электрическим сопротивлением.

Наиболее прогрессивными видами сварки меди считают сварку в защитных газах неплавящимся (для толщин до 2—5 мм) и плавящимся (для больших толщин) электродами. При сварке плавящимся электродом применяют аргон, гелий, азот и их смеси с небольшими добавками кислорода. Например, Не+(1—2)% 02, Аг+(2— 4)% 02 и N2+ (4—6)% 02 или N2(25—32)% +02(4—6)% + Аг(72— 68)%.

Основные трудности и особенности сварки медных сплавов те же, что при сварке меди.

Дополнительными особенностями являются следующие: – тепловложение (величина сварочного тока) уменьшается по сравнению со сваркой меди в связи с меньшей теплопроводностью сплавов по сравнению с чистой медью;- – присадочная проволока выбирается в соответствии с маркой сплава; – сплавы, как правило, более склонны к структурным изменениям; – специфические особенности.

Специфическая особенность при сварке латуней заключается в том, что в процессе сварки цинк, содержащийся в латуни, значительно испаряется и сгорает, так как температура испарения цинка (Тисп=906 °С) близка к температуре плавления латуни (ТПЛ=905 °С). Поэтому снижается содержание цинка в металле шва и ухудшаются механические свойства соединения. Кроме того, пары цинка ядовиты. Для уменьшения выгорания цинка целесообразны сварка на пониженной мощности, применение присадочного металла, содержащего кремний (кремний создает на поверхности расплавленного металла защитную окисную пленку Si02, препятствующую испарению цинка), использование защитных флюсов, при газовой сварке целесообразно пламя с пониженным содержанием ацетилена (Р= 1,3-1,4).

Специфической трудностью при сварке бронз является их повышенная жидкотекучесть. При сварке бронз, содержащих алюминий, возникают трудности, связанные с образованием окисла алюминия А1203, поэтому методы и технику сварки выбирают такие же, как и при сварке алюминия, а режимы — характерные для медных сплавов.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум