ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

 

Назад: 5.2. Технология сварки магниевых сплавов

 

5.3. Технология сварки меди и ее сплавов

 

Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электротехнической промышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры Медь и многие мед­ные сплавы применяют для изготовления изделий криогенной техники. Медь обладает достаточно высокими механическими свойствами, особенно в нагартованном виде (sв = 45 кгс/мм2), Тпл = 1083 0С.

Промышленность по ГОСТ 859 выпускает 6 марок меди: М00 (99,99 % Сu, примеси не более 0,01 %), М0 (99,95 %), Ml (99,9 %) и М4 (99 %). Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и в горячем состояниях, малочувствительна к изменениям низких температур. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в довольно широких пределах. В машиностроении получили распространение сплавы на основе меди - латуни и бронзы, которые имеют лучшие прочностные и технологические характеристики.

Латуни - сплавы меди с цинком, их подразделяют на две группы - простые (однофазные) и многокомпонентные (или специальные). Однофазные латуни (не более 39 % Zn) - это a - латуни, весьма пластичны, хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях. Латуни, содержащие более 39 % Zn , имеют a+b и b - структуры, обладают большей твердостью и прочностью по сравнению с латунью. Выпускаются по ГОСТ 15527 следующих марок: Л62, Л80, ЛМц 58-2 и др.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, железом и другими элементами. Бронзы, у которых основным легирующим элементом служит олово, называются оловянными бронзами (Бр ОФ 6,5-0,4, Бр ОФ 0,25 и т. д.). Остальные бронзы в зависимости от основного легирующего элемента получили название алюминиевые (Бр АМц 9-2), бериллиевые (Бр Б2), марганцевые (Бр Мц 5), хромистые (Бр Х0.7) бронзы и др. Царь - пушка (40 т) и царь-колокол (200 т) отлиты из бронзы.

Медно-никелевые сплавы могут содержать до 30 % Ni, а также Fe, Mn. Сплав МНЖ 5-1, прочный коррозионностойкий; применяется для изготовления трубопроводов, сосудов, работающий в морской воде, растворах солей, органических кислот.

 

Особенности сварки

При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинства конструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) и величиной литейной усадки при затвердевании (в 2 раза больше, чем у стали). Медь и ее сплавы склонны к пористости и возникновению кристаллизационных трещин, активно поглощают газы, особенно кислород и водород, которые оказывают вредное влияние на прочностные и технологические характеристики.

Кислород малорастворим в твердой меди. При повышении температуры медь активно окисляется, образуя закись меди Cu2O. При затвердевании закись меди образует с медью эвтектику Cu2 - Cu2O, которая, располагаясь по границам зерен, снижает ее коррозионную стойкость и пластичность. При содержании в меди кислорода более 0,1 % затрудняются процессы горячей де­формации, сварки, пайки и других видов горячей обработки.

Водород хорошо растворяется в жидкой меди, в затвердевшей меди растворимость водорода незначительна (с повышением температуры растворимость водорода возрастает в 14 раз).

Во время кристаллизации металла шва выделение водорода может вызвать образование пор. Пористость могут вызвать водяные пары, появившиеся в металле шва в результате реакции водо­рода с кислородом закиси меди. Водяные пары, накапливаясь в микропустотах металла шва, создают в нем давление, которое разрушает металл, образуя микротрещины. Это явление носит название водородной болезни меди:

 

CuO2 + H2 = H2 O + Cu

 

Возникновение пор и микротрещин может быть также связано и с усадочными явлениями, протекающими в процессе кристалли­зации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникновения пор в сварных швах в основном обусловлена актив­ным взаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров, выделе­ние водорода).

Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значением коэффициента теп­лового расширения, большой величиной усадки при затвердевании и высокой теплопроводностью наряду с наличием в меди и ее спла­вах вредных примесей (кислорода, сурьмы; висмута, мышьяка, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики располагаются по границам кристаллов, снижая межкристаллитную коррозию. Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в меди ограничивают. Так, например, содержание сурьмы и висмута допускается не более 0,005 %, а серы -0,004 %.

При сварке меди и ее сплавов в швах наблюдается крупнокристаллическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплового потока от центра сварного шва в основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. Поскольку в этих условиях не появляются новые центры кристаллизации, в шве образуется зона с кристаллитами избирательной ориентации; кристаллиты вытягиваются в направлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру сварного шва.

 В связи с высокой теплопроводностью меди и сплавов на ее основе для местного расплавления металла необходимо приме­нять источники теплоты с высокой тепловой мощностью и кон­центрацией энергии в пятне нагрева. Из-за высокой теплопроводности и быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в сварных швах дефектов (непроваров, подрезов, наплывов, трещин, пористости). В связи этим сварку металла большой толщины (свыше 10 ÷ 15 мм) обычно выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом. Изделия подогревают газовым пламенем; рассредоточенной дугой и другими способами (до температуры 250 ÷ 300 0С из меди, латуни до 300 ÷ 350 0С, бронзы – 500 ÷ 600 0С).

Учитывая высокую теплопроводность меди, предпочтительно использовать стыковые соединения, а при выполнении угловых соединений сварку следует выполнять вертикальным электродом, располагая его с внешней стороны. Так как медь обладает повышенной жидкотекучестью сварка выполняется в нижнем положении.

 

Подготовка кромок под сварку

Тонколистовые конструкции толщиной стенки 1,5 ÷ 2,0 мм сваривают встык без разделки или с отбортовкой кромок, высота отбортовки равна (1,5 ÷ 2,0)× Sмет. Листы толщиной до 5 мм сваривают также без разделки кромок, но с зазором до 2 мм. Листы толщиной свыше 10 мм, сваривают с разделкой кромок: под газовую сварку с углом разделки 90° и притуплением кромок до 5 мм; под ручную дуговую сварку с углом разделки 70° и притуплением кромок до 3 мм; под автоматическую с углом разделки до 60° и притуплением кромок до 4 мм.

Стыковые соединения сваривают, как правило, на формирующих подкладках из меди, графита, керамики и флюсовой подушке. Тавровые соединения больших толщин для удержания жидкой ванны рекомендуется сваривать в «лодочку».

 

Присадочные материалы

Применяют прессованные прутки или проволоку, химический состав которых выбирают в зависимости от требо­ваний к сварным швам и метода сварки.

Конструкции из меди сваривают с присадочной проволокой аналогичного состава или легированной фосфором и кремнием до 0,2 ÷ 0,3%, При введении в сварочную ванну указанных раскислителей происходит восстановление закиси меди. Продукты реакции переходят в шлак, металл шва очищается от кислорода. Для повышения прочностных свойств металла шва используют присадочные стержни, легированные кремнием, фосфором, мар­ганцем, оловом, железом и другими элементами (БрКМц З-1, БрФ 0,4-0,3 и др.).

При сварке a-латуней марок Л59, Л63, Л68 и др. рекоменду­ется применять присадочный металл, легированный кремнием, марганцем и железом (ЛК80-3, ЛМц59-02, ЛМц59-1-1, БрКМц З-1). Для сварки сложных латуней и бронз выбирают присадочный металл аналогичный основному.

 

Способы сварки

 

Газовая сварка. Применяется для сварки конструкций из тонколистовых элементов. При газовой сварке меди и ее сплавов в качестве флюса при­меняют соединения бора (бура, борная кислота, борный ангидрид). Для сварки алюминиевых бронз в состав флюсов вводят хлориды и фториды щелочных металлов. Используют газообразный флюс (БМ-1), состоящий из метилбората В(ОСНз)з 70 ÷ 75 % и метило­вого спирта СНзОН 30 ÷ 35 %. При введении флюса в пламя го­релки органическая часть его сгорает, а пары борного ангидрида В2Оз защищают сварочную ванну от окисления.

Сварку меди следует выполнять нормальным пламе­нем, при сварке латуней и некоторых бронз рекомендуется окис­лительное пламя. Газовую сварку меди малой толщины рекомендуется выполнять левым способом. При сварке с раздел­кой кромок желательно свариваемые листы устанавливать с не­которым наклоном (до 10°) к горизонтальной плоскости и вести сварку на подъем.

Флюс вводят в свариваемую ванну на разогретом конце при­садочного прутка, который периодически окунают во флюс, или флюс предварительно наносят на пруток.

 

Сварка покрытыми электродами. Сварку меди покры­тыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности, стремясь поддерживать короткую дугу без колебания конца электрода.

 Физические и механические свойства сварных швов обеспечиваются путем соответствующего подбора химического состава электродного стержня и покрытия. Если при сварке необходимо обеспечить высокую электропроводность металла шва (до 60 % меди), используют электроды марок АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ-3 диаметром 4 ÷ 6 мм при токе 340 ÷ 600 А. Электроды «Комсомолец-100» со стержнем из меди (Ml) диаметром 3 ÷ 5 мм при токе 70-170 А с покрытием (полевой шпат 12,5 %, плавиковый шпат 15 %, ферромарганец 47,5 % и кремнистая медь) обеспечивают до 20 % электропроводность металла шва.

Для сварки специальных латуней с указанными покрытиями используют стержни состава свариваемой латуни. Для сварки бронз в зависимости от ее марки применяют электроды: для БрАМц 9-2, БрАН, БрАНмцЖ - электроды ЛКЗ-АБ (стержень БрАМц 9-2), для БрХ07 – АНЦ-3 (стержень БрХ07), для БрОФ 6.5-0.4 – ОЗБ-2М (стержень БрОФ 6.6-0.4).

 

Сварка под флюсом. Сварку меди и ее сплавов выполняют на постоянном токе обратной полярности. В сочетании с электродной проволокой марки Ml используют флюсы марок АН-348А, ОСЦ-45, АН-20, АН-26 и др. или керамические флюсы.

Для сварки латуней применяют флюсы, разработанные МАТИ. Флюс МАТИ-53 состоит из флюса ОСЦ-45 (77 %), борной кислоты (7,7 %) и кальцинированной соды (15,4 %). Для сварки простых и легированных латуней рекомендуют пемзовидный флюс ФЦ-10: 44 ÷ 47 % SiO2; до З % СаО; 19 ÷ 21 % А12Оз; 2 ÷ 3 % CaF2; 28 ÷ 30 % MgO; до 1,5 % FeO; до 0,1 % S и Р.

 При сварке бронз положительные результаты получены с применением флюса К-13, (20 % Al2O3; 8 ÷ 10 % SiO2; 15 % CaCO3, 20 % Na2В4O7, 15 ÷ 19 % CaF2; 3 ÷ 5 % Al (алюминиевая пудра). Сварные швы бронзы БрХО,5, сваренные под флюсом К-13 с присадкой Ml, не уступают по прочности основному металлу.

 

 Сварка в защитных газов. Дуговая сварка (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона, гелия или их смесей вольфрамовым электродом или плавящимся электродом.

При сварке меди в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМц З-1 или медь М1 с добавками фосфора и кремния до 0,1 ÷ 0,2 %. Фосфор и кремний хорошо раскисляют сварочную ванну, снижают пористость, обеспечивают высокие физико-механические свойства сварных швов.

Все латуни хорошо свариваются в среде защитных газов неплавящимся вольфрамовым электродом. При сварке простых латуней в качестве присадки рекомендуется проволока из алюминиевой, фосфористой и кремнистой бронзы. При сварке латуней сложного состава используют проволоку того же состава, что и свариваемый металл.

Электрошлаковая сварка применяется для толщин свыше 30 ÷ 50 мм. Сварка выполняется пластинчатым электродом с использованием флюсов на основе фторидов щелочноземельных металлов. Механические свойства практически идентичны основному металлу.

 

Далее: 5.4. Технология сварки никеля и его сплавов