Введение
Восстановление, свариваемость
Общие сведения по свариваемости
Физические и механические свойства
Основные физические и механические свойства меди
Подготовка под сварку
Автоматическая сварка меди под флюсом
Дуговая сварка в защитных газах
Общие требования безопасности
Список литературы
Введение
Сварка меди и ее сплавов
Медь используется в химическом и энергетическом машиностроении ввиду высокой электро- и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Все эти свойства тем выше, чем выше чистота металла, что предъявляет особые требования к сварке из изделий из чистой меди.
Латунями называются медно-цинковые сплавы, содержащие от 20 до 55% цинка. Сплавы с содержанием цинка до 20 % называются томпаками. Латунь и томпак содержит цинк в пределах а - твердого раствора (до 38% цинка). В пределах а - твердого раствора свойства латуней монотонно изменяются, увеличивая прочность меди и снижая её пластичность. Латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, теряя её только в аммиачной среде, так как аммиак, являясь активным лигандом при образовании комплексных соединений с медью и с цинком разрушает защитные слои (аммиачное растрескивание). При больших содержаниях цинка образуется интерметаллиды (Сu2Zn и Сu2Zn2 - (Zn - фаза), резко изменяющие механические свойства медных сплавов. Специальные латуни, кроме цинка могут содержать железо, алюминий, кремний, никель и другие компоненты.
Бронзы представляют собой сплавы меди с содержанием цинка не более 4...5%. Главными легирующими компонентами бронз является алюминий, марганец кремний, бериллий, олово, хром. Бронзы могут иметь и сложный состав при легировании сразу несколькими компонентами.
Бронзы, содержащие цинк и свинец, обладают высокими антифрикционными свойствами и используются для подшипников скольжения. Бронзы, содержащие алюминий, обладают высокими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью; содержащие марганец, - хорошей коррозионной стойкостью и жаропрочностью; содержащие кремний, - высокой коррозионной стойкостью, большой износостойкостью; содержащие хром, представляют собой упрочненные сплавы меди с хорошими механическими свойствами (а< = 200... 280 МПа), но сохраняющие ценные физические свойства (электро- и теплопроводность на уровне чистой меди; содержащие бериллий, обладают механическими свойствами стали (пружины и гибкие элементы), высокой коррозионной стойкостью, немагнитные.
Восстановление, свариваемость
Особенности меди вызывают затруднения при сварке её и её сплавов.
1. Легкая окисляемость меди в расплавленном состоянии образующаяся в результате этого процесса закись меди растворима в жидком и весьма ограниченно в твердом металле. Она дает с медью легкоплавкую составляющую (эвтектику), которая, сосредотачиваясь по границам кристаллитов, снижает стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для изготовления сварных конструкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03%, а для ответственных изделий - 0, 01%.
Опасными примесями меди в отношении снижения стойкости против образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются также висмут и свинец. Поэтому содержание висмута в меди допускается не более 0,003%, а свинца - не более 0,03%.
Пониженная стойкость металла шва против возникновения пор, обусловленная выделением водяного пара и, возможно, водорода из кристаллизующегося металла шва. Сродство меди к азоту весьма мало. В связи с этим азот не является возбудителем пор и даже может быть использован в качестве защитной атмосферы при сварке меди. В отношении стойкости против возникновения пор предпочтительны односторонние стыковые швы со сквозным проплавлением кромок. Сварка угловых швов таврового и нахлесточного соединения вызывает значительные затруднения из-за пористости металла шва.
Высокая теплопроводность меди (в б раз выше, чем у железа), что предопределяет необходимость применения концентрированных источников нагрева и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева основного металла при сварке.
Высокий коэффициент линейного расширения меди и ее сплавов (для меди коэффициент линейного расширения в 1,5 раза больше, чем у стали), что предопределяет необходимость принятия дополнительных мер против деформации конструкций.
Повышенная жидкотекучесть металла затрудняет сварку меди в вертикальном и особенно в потолочном положении. Встречаются трудности также при сварке кольцевых швов.
Общие сведения по свариваемости
Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрит 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 окислятся 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 Сu2О и резко снижает до нормального при распаде жидкого раствора в процессе образования эвтектики Си - Сu2О; Сu2O как отдельная фаза легко восстанавливается до меди:
Сu2О + 2Н -> 2Сu + Н2О;
Сu2О + СО -> 2Сu + СО2.
Газы, образующиеся в результате реакции, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин - «водородная болезнь» меди. Твердые растворы меди с кислородом имеют исчезающе малые концетрации 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.
Повышенные концентрации серы будут снижать стойкость металла к образованию горячих трещин. Коррозионная стойкость меди также снижается.
Водород влияет на качество сварных соединений из меди и её сплавов, вызывая пористость в металле шва и образование трещин. Гидрид меди в виде кристаллов краснокоричневого цвета образуется при взаимодействии атомарного водорода с медью. Разлагается водой, кислородом, серной и соляной кислотой, а также свободными галогенами (Р2; С12; Вг2; 12). Таким образом, в условиях сварки его образование мало вероятно, если вообще не исключено. Растворимость водорода в жидкой и твердой меди значительна. Водород растворяется в меди в соответствии с законом Сивертса и растворимость его зависит от температуры и парциального давления в газовой атмосфере при сварке. Растворимость водорода в меди в процессе кристаллизации изменяется относительно больше, чем растворимость в железе (почти в 2 раза); это приводит к тому, что при высокой скорости кристаллизации сварочной ванны при сварке меди, обладающей большой теплопроводностью, газ не успевает выделятся из металла, образуя поры, или, концентрируясь в микронесплошностях, создает высокое давление, приводящее к нарушению металлической связи образованию трещины. Если правильно разработана технология сварки и исключена возможность насыщения водородом сварочной ванны (сухие газы, прокаленные флюсы и т. д.), то не исключена возможность возникновения дефектов за счет водорода, находящегося в состоянии твердого раствора внедрения в основном металписеские температурные градиенты в зоне сварки вызывают термическую диффузию водорода, направленную против потока тепла, т.е. из основного металла к линии сплавления. Концентрация водорода на линии сплавления увеличивается, и коэффициент сегрегации водорода, зависящий от режима сварки (1Д; Уд; б), достигает больших значений. Таким образом, водород, содержащийся в основном металла, также может создавать дефекты в сварном соединении. Поэтому при сварке ответственных изделий из меди, в которых необходимо высокая плотность металла, к основному металлу необходимо предъявлять жесткие требования по содержанию в нем водорода. Электрошлаковый переплав или вакуумная плавка значительно снижают содержание водорода в меди.
Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода, понижающего растворимость водорода, но в то же время возникновение «водородной болезни не исключается. Компоненты, легирующие медь также влияют на растворимость и содержание водорода в медных сплавах.
Физические и механические свойства
Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетки с координационным числом к = 12 и стороной куба а = 3,6147 А. Полиморфизмом медь не обладает, фазовые превращения её связаны с изменением агрегатного состояния: температура плавления 1083° С; удельная теплота плавления 48,7 кал/г; температура кипения 2596° С; удельная теплота кипения 1140 кал/ч. В зависимости от обработки плотность меди (г/см куб.): 8,93 литой; 8,94 деформированной; 8,914 электролитической. Коэффициент линейного расширения твердой меди при 20° С а = 16,4 х 106°С, теплопроводность меди 0,09 кал/(г°С) при 20°С и мало зависит от температуры. Теплопроводность меди очень высокая; при 20° С коэффициент теплопроводности к = 0,923 кал/ (см • с • ° С) и зависит от температуры:
Температура, ° С................-252.2... -200... -190... 0..... 100... 300..... 970
к, кал/(см • с °С),...................29.3... 1,95... 1,42... 0,98... 0,9... 0,88... 0,738
Медь обладает небольшой летучестью, но при температурах сварки ее летучесть будет уже значительной, что необходимо учитывать при разработке вентиляции сварочных постов.
При 20 °С удельное электрическое сопротивление меди р = 1,682 мкОм х см; при повышении температуры удельное электрическое сопротивление растет (при 970 °С р = 9,6 мкОм х см); при температуре плавления удельное электрическое сопротивление жидкой меди более чем в 2 раза превышает удельное электрическое сопротивление твердой меди. Электропроводность и теплопроводность меди резко изменяются при введении примесей даже в малых количествах.
Физико-механические свойства меди зависят от степени чистоты и предварительной обработки металла. Таким образом, мягкая отожженная медь представляет собой пластичный металл, в то время как медь, негартованная после холодной пластической обработки (протяжки), значительно снижает свои пластические свойства.
Основные физические и механические свойства меди:
Атомная масса …………………………………………………… 63
Плотность при 20ОС, г/см3 ………………………………………..8, 96
Температура, ОС:
плавления ……………………………………………… 1083
кипения ………………………………………………….2600
Удельная теплоёмкость, ккал/г …………………………………0, 092
Теплопроводность кал/ (см. сек. град) ……………………….0, 941
Скрытая теплота плавления, кал/г ……………………………..43, 3
Коэффициент линейного расширения, 1/град ………………. 0, 000017
Удельное электросопротивление, Ом. мм2/м ……………….0, 0178
Временное сопротивление меди, кг,/мм2:
деформированной …………………………………….40 — 50
отожжённой …………………………………………….20 — 24
Предел текучести меди, кг/мм2, при температуре, ОС:
20 ………………………………………………………...7
200 ……………………………………………………….5
400 ……………………………………………………….1, 4
Относительное удлинение меди, %
деформированной …………………………………….4 — 6
отожжённой …………………………………………….40 — 50
Предел упругости меди, кг/мм2:
деформированной …………………………………. 30
отожжённой …………………………………………….7
Модуль упругости, кг/мм2 ………………………………………. 13200
Модуль сдвига, кг/мм2 …………………………………………...4240
Предел усталости меди при переменно-изгибающих
напряжениях на базе 108 циклов, кг/мм2:
деформированной …………………………………….11
отожжённой ……………………………………………..6, 7
Твёрдость НВ меди, кг/мм2:
деформированной …………………………………….90 — 120
отожжённой ……………………………………….. …..35 — 40
Подготовка под сварку
Свариваемый металл и проволока перед сваркой тщательно очищаются от окислов и загрязнений до металлического блеска и обезжириваются. Зачистка кромок может выполняться механическим способом (наждаком, металлическими щетками и др.).
Физико-химические свойства меди определяются ее положением в периодической системе Д.И.Менделеева. Окисел меди - Сu2О устойчив при высоких температурах, а окисел СиО при низких.
Сu2О + Сu <-> Сu2О
Медь является пассивным металлом и не может растворяться в кислотах с выделением водорода. Реагирует с окислительными средами, например с азотной кислотой, с выделением окислов азота (NO, МО2).
При сварке медных сплавов содержащих активные раскислители (алюминий, кремний, марганец), используют присадки того же состава, что и основной металл или с небольшими добавками кремния.
Для растворения и удаления окислов при сварке меди применяют флюсы на основе буры и борной кислоты с добавками солей натрия и калия. Медь и её сплавы до 3 мм сваривают без разделки кромок с предельным зазором до 1 мм. При больших толщинах рекомендуется разделка под углом 60... 70° с притуплением 1,5 мм. Зазор в этом случае не должен превышать 1,5 мм.
Пламя горелки следует держать примерно под прямым углом к свариваемым деталям на расстоянии ядра от поверхности детали, не превышающим 5...6 мм. Сварка меди обычно выполняется «левым» способом, без перерывов, по возможности на максимальных скоростях. При сварке металла толщиной до 8 мм его предварительно подогревают до 200...300°, для меди больших толщин используют, кроме общего, сопутствующий подогрев свариваемых кромок. Иногда для улучшения качества сварные швы проковывают. Проковку осуществляют при подогреве до 500 °С (при более высоких температурах медь сильно понижает свою прочность и может дать трещины). Механические свойства сварных соединений из меди и её сплавов улучшаются термической обработкой (особенно после проковки) -нагревом до 500... 600 °С и охлаждением в воде.
Основные затруднения при газовой сварке латуней состоит в испарении из сплавов цинка, которое начинается уже при Т = 906°С. Поэтому, если при сварке перегреть латунь, то вследствие начавшегося испарения цинка шов получается пористым. Образованию пор способствует также незначительный промежуток между температурой солидуса и ликвидуса. Для уменьшения испарения цинка сварку ведут сильно окислительным пламенем с ро = 1,3... 1,4. В этом случае на поверхности ванны расплавленного металла образуется пленка окислов, которая способствует уменьшению испарения цинка.
Основным затруднением при газовой сварке бронз является выгорание легирующих примесей, что приводит к пористости металла шва. Поэтому её применяют при ремонте изделий, исправлению брака литья, наплавке поверхностей деталей на трение и т.д. При сварке оловянистых бронз в расплавленном металле имеет место ликвация олова, которая, выделяясь в виде мелких шариков сплава, насыщенного оловом, испаряется при нагревании до 1200°, образуя пары и давая белый налет двуокиси олова ЗпО2 вокруг шва. При сварке алюминиевых бронз основное затруднение состоит в образовании тугоплавкой окиси алюминия, трудно удаляемой из металла шва. Сварка кремнистой бронзы сопровождается образованием пленки окиси кремния на поверхности жидкого металла сварочной ванны, что уменьшает испарение остальных компонентов сплава (в частности цинка) и поэтому является фактором, улучшающим свариваемость сплавов этого типа. Пламя при сварке бронз должно быть нормальным во избежания образования окислов. Флюсы при сварке бронз такие же, как и при сварке меди. Для сварки алюминиевых бронз берутся такие же флюсы, как и при сварке алюминиевых сплавов на основе фтористых и хлористых соединений. Присадочный материал аналогичен свариваемому материалу.
Автоматическая сварка меди под флюсом
Основным преимуществом автоматической сварки Сu под флюсом является возможность получения стабильных высоких механических свойств без предварительного подогрева. Поэтому при изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из Сu больших толщин технологический процесс достаточно прост и почти не отличается от процесса сварки сталей.
При сварке меди под такими кислыми флюсами в металл шва переходят Si и Мn, в результате ухудшаются тепло- и электрофизические свойства соединений по сравнению с основным металлом. Применение бескислородных фторидных флюсов, например марки АН-M1, который содержит, % (по массе), 55 MgF2, 40 NaF, 5 BaF2, позволяет получать швы, удельное сопротивление которых в 1,5 раза ниже, а теплопроводность в 2 раза выше по сравнению со швами, выполненными под кислым флюсом АН-348А.
Для электродуговой сварки меди используются керамические флюсы: ЖМ-1 для сварки меди и К-13МВТУ для сварки меди со сталью.
Режимы сварки меди под флюсом К-13МВТУ приведены в табл. 27.4.
Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности при жестком закреплении на подкладках из охлаждаемой меди (толщиной до 2,5 мм) или на графите (толщиной 5—6 мм). Состав флюса К-13МВТУ, % (по массе): глинозем 20, плавиковый шпат 20, кварцевый песок 8—10, магнезит 15, мел 15, бура безводная 15—19, порошок алюминия 3—5. Применение керамического флюса позволяет раскислить и легировать металл шва, электро- и теплопроводность металла шва получаются на уровне исходного металла.
С увеличением толщины металла керамические флюсы становятся ограниченно пригодными, так как не обеспечивают требуемой плотности и необходимой пластичности соединения. Снизить пористость при сварке Cu и хромистой бронзы позволила смесь, состоящая из 80 % (по массе) флюса АН-26С и 20 % флюса АН-20С. Лучшие результаты по плотности швов обеспечивает флюс сухой грануляции АН-М13 (ВТУ ИЭС 56Ф—72).
Для сварки латуни применяют плавленые флюсы (АН-20, ФН-10), а также специально разработанный для латуней флюс МАТИ-53. Ориентировочный режим сварки латуни толщиной 12 мм: ток дуги Iд = 450470 А, напряжение Uд = 3032В, скорость сварки vсв = 25 м/ч, используется односторонняя сварка без разделки кромок в один проход. Предел прочности сварного соединения из латуни марок Л62, ЛМд58-2, Л062-1, выполненного проволокой БрОЦ4-3 под флюсом АН-20, без усиления шва составляет 245—343 МПа, а с усилием шва 294— 392 МПа, угол загиба 100—180°.
Автоматическую дуговую сварку под флюсом применяют для соединения меди со сталью. Сварка производится со смещением электрода на медь, практически без оплавления стали: расплавленная медь смачивает стальную кромку и соединение образуется за счет диффузии меди в сталь. Применяется специальная разделка кромок: скос только медной кромки под углом 45° с притуплением, равным половине толщины. Стыковое или угловое соединения собираются без зазора, расстояние оси электрода от края медной кромки составляет 0,65—0,70 толщины меди. Режим сварки такой же, как и при сварке медных соединений, но сварочный ток снижают на 15—20%- Сварные соединения медь — низкоуглеродистая сталь обладают хорошими механическими свойствами: в = 205225 МПа, =5972%, KCU = 343981 кДж/м2.
Дуговая сварка в защитных газах
Ручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку Cu и ее сплавов можно производить плавящимся и неплавящимся электродом. Наиболее часто применяют сварку вольфрамовым электродом с подачей присадочного металла в виде проволоки непосредственно в зону дуги, узкой профилированной про-ставки, закладываемой в стык, или с применением технологического бурта на одной из стыкуемых деталей. Реже применяется сварка плавящимся электродом.
В качестве защитных газов используют азот особой чистоты по МРТУ 6-02-375—66, аргон сорта высший по ГОСТ 10157—79, гелий высшей категории качества марок А и Б по ТУ 51-940—80, а также их смеси в соотношении по объему 50—75 % аргона.
При сварке в среде аргона плавящимся электродом процесс неустойчив, с трудом устанавливается стабильный струйный перенос металла в сварочной дуге. При сварке в среде азота эффективный и термический КПД дугового разряда выше, чем для аргона и гелия. Глубина проплавления получается выше, но устойчивость дугового разряда в азоте ниже, чем в аргоне и гелии. 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 электродом осуществляют на постоянном токе прямой полярности. При сварке электрод располагают строго в плоскости стыка, наклон электрода 60—80° «углом назад». При сварке Сu толщиной более 4—5 мм рекомендуется подогрев до 300—400 °С.
Присадочные проволоки из чистой меди Ml, М0 при сварке обеспечивают получение металла шва, по составу и физическим свойствам близкого к основному металлу, однако механические свойства сварного соединения понижены, наличие пористости уменьшает плотность металла шва. При введении в состав присадочных проволок раскислителей и легирующих компонентов механические свойства возрастают, но, как правило, снижается тепло- и электропроводность металла шва, что в ряде случаев недопустимо. 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 и образуют высокодисперсные шлаковые включения и поэтому не влияют на физические свойства металлов.