Сварка меди и медных сплавов

Технологические особенности сварки меди и медных сплавов при производстве и ремонте. Специальные легированные электродные проволоки Kjellberg.

Виды медных сплавов

Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь применяют редко в качестве конструкционного материала. Широкое распространение в промышленности имеют сплавы меди – латуни, бронзы.

Латунями называют медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Такие медноцинковые сплавы принято называть двойными латунями. Для повышения механических свойств и химической стойкости латуней в них часто вводят легирующие элементы: алюминий, никель, марганец, кремний и т.д.

Многокомпонентные медноцинковые сплавы принято называть специальными латунями. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. В зависимости от основного легирующего элемента, различают две группы бронз: оловянные бронзы и специальные бронзы.

Оловянные бронзы, в зависимости от содержания в них других легирующих элементов подразделяют на: оловяннофосфористые, оловянноцинковые и оловянноцинкосвинцовые бронзы. 

Специальные бронзы – это двойные или более сложные сплавы на медной основе, содержащие в качестве добавок: алюминий (алюминиевые бронзы), бериллий (бериллиевые бронзы), никель (с добавлением железа – никелевожелезная бронза), марганец (марганцевая бронза), кремний (кремниевая бронза), кадмий (кадмиевая бронза), хром (хромовая бронза).

В зависимости от содержания в алюминиевых бронзах других основных легирующих элементов, их подразделяют на: алюминиевомаргацевые, алюминиевожелезные, алюминиевожелезомарганцевые, алюминиевоникелевые бронзы. Кремнистые бронзы, введением в них марганца или никеля, подразделяют на: кремниевомарганцевые и кремниевоникелевые.

Особенности сварки медных сплавов.

Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрид СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди.

Образование химических соединений переменной валентности и растворимость этих соединений в жидкой меди приводит к довольно сложным диаграммам плавкости и к изменению химического сродства в зависимости от фазового состояния. Медь в условиях сварки может окисляться за счет газовой атмосферы или за счет обменных реакций с компонентами флюсов или электродных покрытий. Сродство меди к кислороду возрастает при растворении закиси меди в жидкой меди, особенно сильно при малых концентрациях Cu2O, и резко снижается до нормального при распаде жидкого раствора в процессе образования эвтектики Сu—Сu2О; Сu2О как отдельная фаза легко восстанавливается до меди. Газы, образующиеся в результате реакций, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин - "водородная болезнь" меди.

Твердые растворы меди с кислородом имеют исчезающие малые концентрации при низких температурах. Поэтому медь в процессе сварки необходимо тщательно раскислять или вести сварку в среде инертных защитных газов или в вакууме.

Остаточные концентрации раскислителей влияют на свойства металла шва (электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость), и поэтому при сварке изделий из чистой меди задача раскисления металла шва решается с трудом.

К сварным соединениям из чистой меди почти всегда предъявляют высокие требования по сохранению в металле сварных швов всего комплекса физических свойств: электропроводности, теплопроводности, плотности и коррозионной стойкости, так как эти изделия работают в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому в процессе сварки медь не должна загрязняться какими-либо примесями, влияющими на эти свойства.

Механические свойства сварных соединений определяются общими свойствами меди. Сварка чистой меди существенно отличается от сварки сталей.

Большая теплопроводность создает высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также малое время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Это обусловливает необходимость применения повышенной погонной энергии при сварке меди по сравнению со сталями или применения предварительного подогрева изделия, но последнее является нежелательным осложнением технологии сварки.

Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необходимость сварки при жестком закреплении изделия или по прихваткам. При большой толщине металла следует регулировать ширину зазора при сварке. Малое время существования сварочной ванны в жидком состоянии ограничивает возможности ее металлургической обработки. В частности, при раскислении меди требуются более активные раскислители, чем при сварке сталей, для снижения концентрации кислорода до допустимых пределов.

Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к обогащению водородом металла вблизи зоны сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов (пор, трещин). Высокая чувствительность меди к водороду должна учитываться при разработке технологии сварки.

Сварка алюминистых, никелевых и марганцевых бронз идет удовлетворительно даже при использовании ручной дуговой сварки (РДС) специальными электродами, например, Kjellberg 240, производства Германии.

В латунях при этом теряется цинк за счет испарения и окисления. Дуговую сварку в защитных газах, широко применяемую в сварочной технике, используют также для изготовления сварных изделий из меди и ее сплавов, таких как шинопроводы и т. д. Для сварки изделий из чистой меди чаще используют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона, гелия или азота. Защитные газы должны быть особо чистыми.

Автоматическую, полуавтоматическую и ручную сварку меди в среде защитных газов можно производить плавящейся проволокой и неплавящимся (вольфрамовым) электродом. Наиболее часто для чистой меди применяют сварку вольфрамовым электродом (для толщин до 10 мм) с подачей присадочной проволоки, реже — сварку плавящимся электродом. Применяют защитные газы: аргон высшего сорта по ГОСТ 10157—73, гелий особой чистоты по МРТУ 6-02-274—66, азот особой чистоты по МРТУ 6-02-375—66. Наиболее целесообразно применять азот высокой чистоты, в котором эффективный и термический КПД дугового разряда выше, чем для аргона и гелия. При сварке в азоте глубина проплавления получается выше, чем при сварке в аргоне и гелии, но устойчивость дугового разряда в азоте ниже, чем в аргоне и гелии. 

Однако при сварке в труднодоступных местах или при сварке меди малой толщины (< 1 мм) предпочтение следует отдать аргону, как защитному газу, в котором наблюдается наибольшая устойчивость дугового разряда. Несмотря на высокую чистоту защитных газов, медь при сварке подвергается окислению, и может возникать пористость, что определяет необходимость применения легированных присадочных и электродных проволок.

Сварку меди неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляют на постоянном токе прямой полярности; используют электрод из лантанированного вольфрама, который обладает удовлетворительной устойчивостью в защитных газах, в том числе, и в азоте особой чистоты. При сварке электрод располагают строго в плоскости стыка, наклон электрода 60—80” «углом назад». При сварке меди толщиной более 4—5 мм рекомендуется подогрев до 300—400 оС.При сварке толщин более 6 мм подогрев осуществляют до 850 оС

Присадочные проволоки из чистой меди М1 и МО при сварке обеспечивают получение металла шва, по составу и физическим свойствам близкого к основному металлу, однако механические свойства сварного соединения понижены, а пористость уменьшает плотность металла шва. При введении в состав присадочных проволок раскислителей и легирующих компонентов механические свойства сварного соединения возрастают, но незначительно, снижаются тепло-и электропроводность металла шва, что недопустимо при сварке ответственных изделий из чистой меди. В таких случаях рекомендуются присадочные проволоки, легированные сильными раскислителями (в микроколичествах), которые после сварки не остаются в составе твердых растворов, а переходят в свои соединения (высокодисперсные, шлаковые включения), и поэтому не влияют на физические свойства металлов. Такие специальные проволоки для сварки меди производятся рядом зарубежными производителями, например, Kjellberg ( Келберг ). Аргонодуговая и азотно-дуговая сварки будут различаться по составу присадочных проволок, так как в азоте возможно образование нитридов некоторыми легирующими компонентами.

Медь толщиной более 5 мм сваривают на флюсовой подушке. Швы большой протяженности сваривают по прихваткам, проставленным с шагом 300—400 мм.

Дуговую сварку латуней и других сплавов меди, содержащих цинк, рекомендуется вести с низкоопущенным соплом. Расход защитного газа зависит от его плотности и теплофизических свойств (л/мин): аргона 8-10, гелия 10—12, азота.

Особенности сварки биметалла медь—сталь, наплавки меди на поверхность стали и сварки меди со сталью.

При осуществлении этих технологических операций возможно возникновение хрупких слоев за счет интенсивного проникновения меди в поверхностные слои стали по границам зерен. Процесс проникновения определяется температурой и временем контактирования жидкой меди с твердой сталью.

Для уменьшения проникновения меди по границам зерен процесс сварки меди со сталью или процесс наплавки меди на сталь надо производить при минимальной погонной энергии и с минимальной глубиной проплавления, используя дополнительное охлаждение для ускорения кристаллизации медного слоя.

Стальную поверхность можно охлаждать со стороны, противоположной наплавке, или охлаждать непосредственно металл наплавки водоохлаждаемыми устройствами.

При наплавке меди в среде аргона плавящимся электродом следует соблюдать аналогичные условия. При сварке меди со сталью плавящимся электродом надо электрод отклонять в сторону меди, так как магнитное дутье в процессе сварки будет возвращать дуговой разряд на свариваемые кромки. При сварке необходимо применять минимальные токи, обеспечивающие формирование сварного шва. Сварку биметалла медь — сталь можно осуществлять со стороны плакирующего слоя или со стороны стали.

В первом случае неизбежны удаление плакирующего слоя на стыкуемых кромках, сварка стали, зачистка полученного шва и наплавка меди на сталь для восстановления плакирующего слоя. При возможности сварки со стороны стали плакирующий медный слой в зоне сварки не удаляют; после сварки стали производят заварку стыка на плакирующем слое любым способом.

 

относится к: , ,