Сварка меди и ее сплавов

Сварка меди и  ее сплавов 

Медь относится  к тяжелым цветным металлам, ее плотность составляет 8,9 г/см3, что  выше, чем у железа. Благодаря  высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие ее сплавы применяют для изготовления изделий криогенной техники. Промышленность выпускает медь марок МО (99, 95% Cu, примеси не более 0,05%), Ml (99,90% Cu, примеси не более 0,1%) и др. Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, малочувствительна к изменениям низких температур. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в 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) имеют структуру a-фазы и называются a-латунями. Они пластичны, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Латуни с содержанием более 39% Zn имеют (а + b)-структуры, более твердые и прочные, в сварных конструкциях применяются редко. 

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, железом  и другими элементами. Бронзы, у  которых основным легирующим элементом  является олово, называют оловянными бронзами (БрОФб,5-0,4; БрОФ4-0,25 и др.). Остальные  бронзы в зависимости от основного легирующего компонента называют алюминиевыми, кадмиевыми и т.д. В отдельную группу выделяются сплавы меди с никелем - мельхиоры, в качестве лигирующего компонента содержащие никель, например МН20 (20% Ni), и нейзильберы - сплавы с никелем и цинком, например МНц 19-20 (19% Ni и 20% Zn). В них могут вводиться и другие элементы, такие сплавы получили название специальных мельхиоров и нейзильберов. Сплавы этой группы обладают повышенной коррозионной устойчивостью и применяются в судовой и химической аппаратуре. 

Медь и ее сплавы свариваются многими способами. При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинства других конструкционных  материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом теплового расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) и величиной 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 растворим  в твердой меди. При повышении  температуры медь активно окисляется, образуя оксид (закись) меди Cu2О, который  при затвердевании образует с медью эвтектику Cu-Cu2О. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1% затрудняются процессы горячей деформации, сварки и других видов горячей обработки. Водород хорошо растворяется в жидкой меди. В затвердевшем металле растворимость водорода незначительна. С повышением температуры растворимость водорода возрастает, особенно при переходе в жидкое состояние. Азот имеет малое сродство к меди и нерастворим в ней. Насыщение металла шва газами может быть предпосылкой к образованию пористости. Пористость в швах могут вызвать водяные пары, появившиеся в металле в результате реакции с кислородом оксида меди Cu2О. Водяные пары, накапливаясь в микродефектах металла, создают в них давление, разрушающее металл с образованием микротрещин. Это явление носит название водородной болезни меди. Возникновение пор и микротрещин может быть связано и с усадочными явлениями, протекающими в процессе кристаллизации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникновения пор в швах в основном обусловлена активным взаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров, выделение газообразного водорода).

Специфика сварки меди и ее сплавов 

Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию  горячих трещин. Это обусловлено  высоким значением коэффициента теплового расширения, большой величиной  литейной усадки при затвердевании  и высокой теплопроводностью  в сочетании с наличием в меди и ее сплавах вредных примесей (кислорода, сурьмы, висмута, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики сосредоточиваются по границам кристаллитов, снижая межкристаллитную прочность. Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в меди ограничивают. Например, в меди допускается не более 0,005% сурьмы, 0,005% висмута, 0,004% серы. 

При сварке меди и  ее сплавов в швах формируется  крупнокристаллистическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплоты от центра сварного шва в основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. В шве кристаллиты вытягиваются в направлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру. Интенсивное распространение теплоты в основной металл при сварке способствует также росту зерна в зоне термического влияния Основными трудностями при сварке меди являются: .

легкая окисляемость в расплавленном состоянии, что  способствует образованию горячих  трещин;

влияние вредных  примесей, усугубляющих склонность к  трещинообразованию и охрупчиванию металла швов;

высокая чувствительность к вредному влиянию водорода;

склонность к росту  зерна и связанному с этим охрупчиванию под влиянием сварочного нагрева  в зоне термического влияния 

Дополнительными технологическими трудностями при сварке меди являются высокая теплопроводимость, высокий  коэффициент теплового расширения, жидкотекучесть. Способы и технологию сварки выбирают с учетом рассмотренных особенностей. Одна из главных задач заключается в том, чтобы не допустить образования и нейтрализовать вредное влияние оксида Cu3O. С этой целью для защиты используют инертный газ, флюсы и покрытия, содержащие борные соединения (бура, борный ангидрид, борная кислота), и сварочные проволоки с активными раскислителями, например, проволоку БрКМцЗ-1, содержащую кремний и марганец и др. 

В связи с высокой  теплопроводностью меди и ее сплавов для осуществления местного расплавления при сварке необходимо применять источники нагрева с высокой тепловой мощностью и концентрацией энергии в пятне нагрева. Из-за быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в нем дефектов (наплывов, подрезов и др.). В связи с этим сварку деталей свыше 10-15 мм обычно выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом. Изделия из меди подогревают до температуры 250-300°С, латуней -до 300 - 350°С, |6ронзы - до 500-600°С. Тонколистовые конструкции с толщиной стенки 1,5-2 мм сваривают встык без скоса кромок или с отбортовкой кромок. Листы толщиной до 5 мм можно сваривать также без скоса кромок, но с зазором до 1,5 мм. Детали большой толщины сваривают со скосом кромок.

Способы сварки меди 

Основными способами  сварки меди являются ручная дуговая  покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродами. Сварку проводят в нижнем положении на подкладках из меди, графита, флюсовой подушке. Соединения больших толщин с угловыми швами рекомендуется сваривать "в лодочку". В качестве присадочного металла применяют прессованные прутки или проволоку диаметром 3-10мм. Химический состав присадки выбирают в зависимости от требований к сварным швам и способов 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 раскислителей происходит восстановление Cu2О и металл шва очищается от кислорода. Для повышения прочности шва используют присадку, легированную другими элементами. 

Все латуни хорошо свариваются  аргонодуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом. При сварке простых латуней присадкой рекомендуется  сварочная проволока из алюминиевой и кремниевой бронзы. При сварке сложных латуней и бронз присадочную проволоку используют того же состава, что и свариваемый материал. Дуговую сварку покрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности, стремясь поддерживать короткую дугу без колебаний конца электрода. Силу тока выбирают в зависимости от диаметра электрода из расчета /св = (50 / 60) d. Физические и механические свойства швов обеспечивают подбором химического состава электродного стержня и покрытия.  

Автоматическую сварку под флюсом выполняют на постоянном токе обратной полярности. в сочетании с электродной проволокой М1 используют флюсы АН-348, ОСЦ-45, АН-26 и др. Дуговая сварка в защитных газах (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона, гелия и их смесей вольфрамовым электродом или плавящейся электродной проволокой. Защитным газом для меди может служить и азот, но требуется его предварительная тщательная очистка от паров влаги. При сварке в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМцЗ-1 или медь марки М1 с добавкой фосфора и кремния до 0,1-0,2%. Фосфор и кремний хорошо раскисляют сварочную ванну, снижают пористость и обеспечивают высокие физико-механические свойства сварных швов. При сварке латуней марок Л59, Л63, Л68 и других рекомендуется применять присадочный металл, легированный кремнием и железом (ЛК80-3, ЛМц59-0,2, ЛЖМц59-1-1, БрКМцЗ-1). Для сварки сложных латуней и бронз присадочный металл выбирают аналогичным основному. 

Специфической особенностью при сварке латуней является интенсивное испарение цинка в процессе сварки, так как температура испарения цинка 907°С близка к температуре плавления латуни 910°С. При этом снижается содержание цинка в металле шва и ухудшаются механические свойства соединения. Кроме того, пары цинка опасны для работающего. Для уменьшения выгорания цинка целесообразны сварка на пониженной мощности, применение присадочного металла, содержащего кремний, который создает на поверхности ванны защитную оксидную пленку SiO2 препятствующую испарению цинка, использование защитных флюсов. Специфической трудностью при сварке бронз является их повышенная жидкотекучесть. При сварке бронз, содержащих алюминий, возникают трудности, вызванные образованием оксида алюминия Аl2ОЪ поэтому способы и технологию выполнения сварки выбирают такие же, как и при сварке алюминия, а режимы -характерные для медных сплавов.