Технология сварки меди и её сплавов

  • 19 июля 2019 16:10:10
  • Отзывы : 0
  • Просмотров: 97
  • 0

Техническая медь в зависимости от марки может содержать разные примеси (Bi, Sb, As, Fe, Ni, Pb, Sn, S, Zn, P, O). У наиболее чистой меди марки М00 может быть до 0,01%, марки М4 – до 1%.

Сплавы на медной основе по зависимости от состава легирующих элементов принадлежат к латуням и бронзам.


Латунями называют сплавы меди с цинком (прямые латуни), содержание цинка в которых может достигать 42%. Когда кроме цинка сплав содержит и другие легирующие элементы (Al, Fe, Ni, Si), сплав относят к сложным латуням. Латуни имеют повышенную прочность по сравнению с чистой медью (σв≤500 МПа). Однако при содержании  свыше 20% Zn появляется склонность сплава к коррозионному растрескиванию и образованию трещин при местном нагреве.

Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основным легирующим элементам, называют бронзами. Название бронзы уточняется по главному легирующему элементу, благодаря которому она приобретает те или иные свойства. Широкое применение находят бронзы оловянистые (2…10% Sn), алюминиевые (4…11,5% Al), кремнистые (0,5…3,5% Si), марганцевые (4,5…5,5% Mn), бериллиевые (1,9…2,2% Ве), хромистые (0,4…1% Cr).

Необходимо учитывать следующие особенности меди и её сплавов, которые влияют на технологию сварки:

1. В связи с высокой теплопроводностью, которая затрудняет локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов после каждого прохода для дробления зерна металл проковывают при температурах 550…800°С.

2. Лёгкая окисляемость меди при высоких температурах приводит к загрязнению металла шва тугоплавкими оксидами. Оксид меди (I) Cu2O растворимый в жидком металле и ограниченно – в твёрдом; с медью образуют легкоплавкую эвтектику Cu-Cu2O (температура плавления 1064°С), которая сосредотачивается по границам зёрен и снижает пластичность меди, которая может привести к образованию горячих трещин.
В связи с этим и вследствие ограниченной по времени возможности металлургической обработки металла сварочной ванны (малое время существования из-за большой теплопроводности меди) необходимо введение энергичных раскислителей (фосфора, марганца, кремния и др.) при ограничении содержания кислорода к 0,03%; в особенно ответственных конструкциях (например, судебные трубопроводы, сосуды и т.п.) содержание кислорода допускается не более 0,01%.
Для разрушения тугоплавких оксидов, которые образуют плёнку на поверхности сварочной ванны, применяют флюсы на основе буры (95% Na2B4O7 и 5% Mg), которые способствуют химической очистке, переводя тугоплавкие оксиды в легкоплавкие комплексные соединения.
Раскислитель, участвуя в металлургическом процессе сварки, не только раскисляет металл, но и легирует его, что может снизить его коррозийную стойкость и электропроводность.

3. Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут (образует оксиды BiO, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5) даёт легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270°С, а свинец (образует оксиды PbO, PbO2, Pb2O3) – с температурой плавления 326°С. По указанной причине содержание этих примесей (Bi < 0,002%; Pb < 0,005%) должна быть резко ограниченно либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, которые одновременно играют роль модификаторов.
При сварке алюминиевых бронз лёгко образуется тугоплавкий оксид Al2O3, который загрязняет сварочную ванну, ухудшает сплавление металла и свойства сварного соединения. Для его разрушения используют флюсы, которые складываются из фторидов и хлоридов щелочных и прочих металлов.

4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипения 907°С, т.е. ниже температуры плавления меди). Созданный оксид цинка ZnO ядовитый, потому при сварке требуется хорошая вентиляция. Испарение цинка может привести к пористости металлу шва. Это усложнение удается преодолеть предварительным подогревом металла до температуры 200…300°С и повышением скорости сварки, которая уменьшит растекание жидкого металла и испарение цинка.

5. Высокий коэффициент линейного расширения медных сплавов (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств может способствовать образованию трещин.

6. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительное количество водорода. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью из-за высокой теплопроводности меди и резкого уменьшения растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл за счёт десорбции. Оксид меди (I) восстанавливается водородом с образованием паров воды:

Cu2O + 2H 2Cu + H2O


который приводит к образованию в шве пор и трещин.

В околошовной зоне диффузионно-подвижный водород взаимодействует  с Cu2O, который размещается по границам зёрен. Созданные пары дигидромонооксида, которые не растворяются в меди и не могут из неё выйти, образуют в металле значительные напряжения, которые приводят к образованию большого количества микротрещин. Данное явление получило название “водородной болезни” меди.


7. Повышенная жидкотекучесть расплавленной меди и её сплавов (особенно бронзы) мешает сварке в вертикальном и потолочном положении, поэтому чаще всего её ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.

Для меди и её сплавов могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.

Сварка в защитных газах позволяет получить сварные соединения с наиболее высокими свойствами (механическими, коррозийными и т. д.), так как металл шва содержит минимальное количество примесей.
Сварку производят неплавящимися (вольфрамовыми) и плавящимися электродами. Используют инертные по отношению к меди газы: аргон, гелий, азот (с дополнительным его осушением и очисткой селикогелем). Эти газы в меди не растворяются и с ней не взаимодействуют. Целесообразно использование газовых смесей вроде 70…80%Ar + 20…30%N2 для экономии аргона и увеличения производительности (повышается глубина проплавления).
В качестве присадочного металла при сварке плавящимися и неплавящимися электродами пригодна проволока из меди и её сплавов, которые по составу идентичны основному металлу, но содержат раскислители (медь марок М0, М1, М2; медно-кремнистая бронза БрКМц3-1; хромистая бронза БрХ0,7).
Свариваемые кромки и сварочную проволоку старательно очищают от оксидов и загрязнений: кромку – механическим способом (наждаком, металлической щёткой и т.п.), проволоку – травлением в растворе, который включает в себя азотную, серную и соляную кислоты, со следующей промывкой в щёлочи, дигидромонооксиде и сушкой горячим воздухом.
Металл толщиной до 5 мм сваривают с подогревом до температуры 350°С. с увеличением толщины металла температуру подогрева увеличивают до 600…800°С.
При сварке неплавящимся электродом сварку производят на постоянном токе прямой полярности.
При сварке плавящимися электродами в инертных газах используют обычные полуавтоматы для сварки в защитных газах и сварочную проволоку диаметрам 1…2 мм.
При сварке латуней, бронз и медно-никелевых сплавов наиболее широко используют вольфрамовый электрод, так как при сварке плавящимися электродами происходит более интенсивное испарение цинка, олова и др.

Среди других способов сварки меди и её сплавов наиболее важное значение имеют механизированная дуговая сварка под флюсом и ручная дуговая сварка плавящимся электродом.
Для механизированной сварки плавящимся электродом под флюсом используют стандартные автоматы и флюсы типа ОСЦ-45, АН-348А и АН-20. Применяется сварочная проволока диаметрам 3…5 мм из меди марок М1, М2 либо бронзы КМц3-1, БрОЦ4-3 и др.
Флюс, который применяется для сварки и подкладки, перед сваркой должен быть прокален при температуре 300…400°С. При использовании для сварки присадочной медной проволоки состав металла шва и его свойства незначительно отличаются от свойств основного металла. Легирование металла шва раскислителями при сварке с использованием присадочного металла из бронз сильно снижает его тепло- и электропроводность.
Для ручной дуговой сварки используют толстопокрытые электроды. Для стержней электродов используют медь марки М1 и М2. Марки электродов: Комсомолец-100, ОЗБ-3, АНЦ-3; для бронз – ОЗБ-2М.
Сварку ведут электродами диаметром 4…6 мм короткой дугой без поперечных колебаний на постоянном токе обратной полярности; сила сварочного тока I = (50…60)dэ. Сварка покрытыми электродами позволяет получить швы с хорошими прочностными свойствами, но из-за употребления раскислителей легирование металла шва, которое происходит при сварке, ухудшает его теплофизические и электрические свойства (электропроводность шва складывает 20…25% электропроводности основного металла).

Используют также плазменную и электронно-лучевую сварку.

Литературный источник: Куликов В.П. Технология сварки плавлением и термической резки: учебник / В.П. Куликов.  - Мн: Новое знание, 2016. - 463 с.