СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СВИНЕЦ И ЕГО СПЛАВЫ

(Фролов В. В., Ермолаева В. И.)

29.1. Физико-химические свойства свинца

Свинец — химический элемент IV А группы Периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 82 и атомной массой 207,19 Сви­нец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке, диамагни­тен, при температуре 7,2 К переходит в сверхпроводящее состояние

Основные физико-химические и механические свойства свинца приве­дены ниже:

Плотность, кг/м3 .............................................................................. 11 340

Температурный коэффициент линейного расширения, • 10е, град-1 ..... 29

TOC o "1-5" h z Коэффициент теплопроводности, Вт-см-1-град-! .... 0,34

Удельное электрическое сопротивление, мкОм'СМ. . . 20,65

Температура плавления, °С............................................................... 327

Температура кипения, °С.................................................................. 1340

Предел прочности при растяжении, МПа............................... 18,0

Предел текучести, МПа...................................................................... 5,0

В химических соединениях свинец проявляет степени окисления +2 и + 4. В низшей степени окисления более устойчив, в высшей проявляет окис­лительные свойства. Свинец устойчив в соляной и серной кислотах вслед­ствие пассивации поверхности плохо растворимыми солями, легко растворя­ется в азотной и уксусной кислотах. Оксиды свинца амфотерны, низший оксид РЬО взаимодействует с высшим PbOj, образуя РЬ304. Свинец и его соединения ядовиты, предельно допустимая концентрация в воздухе состав­ляет 0,01 мг/м3 [5]. Свинец очень пластичный металл, легко прокатывается в тонкие листы, мягкий и ковкий. Температура рекристаллизации свинца 0°С, поэтому получить свинец в наклепанном состоянии при комнатной темпера­туре нельзя. Свойства свинца сильно зависят от наличия примесей.

Свинец применяют в химической, электротехнической, атомной промыш­ленности, сверхпроводниковой технике.

Свинец выпускают семи марок (ГОСТ 3778—77): С0000, С000, С00, СО, Cl, С2, СЗ, содержание свинца в которых меняется от 99,9999 % (по массе) (СОООО) до 99,9% (по массе) (СЗ). Основные примеси в свинце — Ag, Си, Zn, Bi, As, Sn, Sb, Fe.

29.2. Основные марки, структура и механические свойства сплавов свинца

Сплавы свинца характеризуются высокой плотностью, твердостью, хорошими антифрикционными свойствами, коррозионностойки.

Свинец образует со многими металлами эвтектические сплавы, с щелоч­ными и щелочно-земельными металлами — интерметаллиды. Добавка Sb и Sn к свинцу повышает его прочность и твердость, As делает РЬ дисперсиои - но-твердеющим, таллий уменьшает ползучесть. Наличие Sb в свинце при­водит к охрупчиванию металла шва, поэтому для сварки желательно ис­пользование бессурьмянистого свинца.

Сурьмянистый свинец имеет маркировку ССу и выпускается нескольких составов в зависимости от содержания примесей и назначения (ГОСТ 1292—81). Сурьмянистый свинец общего назначения марок ССу!, ССу2, ССуЗ, ССу8, ССуЮ содержит от 2,5 до 12 % (по массе) сурьмы в качестве основного компонента.

Для изготовления оболочек кабелей применяется сурьмянистый свинец марок ССуМ, CCyMl, ССуМ2, ССуМЗ, ССуМЮ, в которых содержание сурьмы составляет от 0,15 до 0,95 % (по массе), остальных примесей еще меньше.

Сплавы свинца легкоплавки, их используют в качестве припоев марок ПОС и типографских сплавов.

Сплавы типографские безоловянные изготавливают из свинца не ниже марки СЗ (ГОСТ 3778—7,7), сурьмы Су2 (ГОСТ 1089—82) и мышьяка. Хи­мический состав типографских сплавов марок МШ1, МШ2, МШЗ, МГЦ, МСМ1, МЛн1, определяется ГОСТ 5188—49 Сплавы этих марок содержат 9,5—15 % Sb, I—4 % As, примеси Sn, Си, Nr, Fe, Zn, S составляют от 0,2 до 0,6 % (по массе), остальное РЬ.

29.3. Свариваемость свинца и его сплавов

Низкая теплопроводность свинца позволяет сваривать металл при небольших тепловложениях. Малая растворимость в рас­плавленном свинце кислорода, азота и водорода позволяет при газовой сварке использовать водородно-кислородное пламя.

Пары свинца ядовиты, поэтому сварочный пост должен быть оборудован приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей содержание свинца ниже предельно допустимых концентраций.

При сварке технического свинца металл шва получается крупнокристаллическим и малопластичным. Для повышения пластичности шва основной металл и присадочную проволоку легируют кальцием, оловом, селеном и другими модификато­рами [3],

29.4. Технология сварки свинца и его сплавов

29.4.1. Подготовка под сварку

Перед сваркой свариваемые кромки должны быть зачищены до металлического блеска на ширину не менее 30 мм от каждой кромки. Допускается применение химического травления в рас­творе уксусной кислоты, содержащем уксуснокислый аммоний

[9] , или промывка в четыреххлористом углероде [10].

Очищенная поверхность свинца сохраняется незначительное время и может потребоваться повторная зачистка кромок не­посредственно перед сваркой.

Сварка плавлением свинца и его сплавов может произво­диться в любом положении швов в пространстве. При двусто­ронней сварке металла толщиной до 10 мм скос кромок не про­изводят. Для полного провара металла толщиной более 6 мм при односторонней сварке рекомендуется производить односто­ронний скос кромок под углом 35° с каждой стороны с притуп­лением до 4 мм. При вертикальной сварке вследствие легко­плавкости, жидкотекучести и большой удельной массы свинца следует применять передвижные формирующие планки-под­кладки. Применять подкладки рекомендуется и при сварке дру­гих стыковых соединений, причем для толщины до 4 мм под­кладки могут быть из асбеста.

Присадочную проволоку выбирают в соответствии с маркой свариваемого свинца.

Целесообразно присадочный металл закладывать в стык, что повышает производительность сварки и до некоторой сте­пени предохраняет от вытекания металла.

Сварку свинца осуществляют преимущественно газовым пла­менем, дугой угольным электродом или неплавящимся электро­дом в среде аргона.

29.4.2. Газовая сварка

Газовая сварка применяется для свинца и его сплавов толщи­ной от 0,8 до 30 мм и более. Используют ацетилено-кислородное и водородно-кислородное пламя. Как правило, газовую сварку применяют при облицовке гальванических ванн, сварке свинцо­вых трубопроводов небольших диаметров, наплавке свинца на черные металлы. Ацетилено-кислородную сварку производят пламенем нормального состава (|3=1-е1,2). Мощность пламени (л/ч) №=100s, где s — толщина свариваемого металла, мм. Процесс сварки необходимо осуществлять с максимально воз­можной скоростью, чтобы не происходило вытекание свинца из стыка. При толщине металла более 1,5—2 мм сварку произво­дят в несколько слоев «левым» способом с наклоном горелки 30—45° к изделию. В качестве флюса применяют стеарин или расплав стеарина с канифолью, перед нанесением флюса на кромки свариваемые листы в стыке подогревают горелкой. Флюс химически не реагирует со свинцом и только защищает металл от окисления.

Вследствие высокой пластичности свинца не требуется мер по борьбе со сварочными напряжениями, однако при сварке сурьмянистого свинца возможно образование трещин.

29.4.3. Дуговая сварка угольным электродом

Дуговая сварка угольным электродом выполняется на перемен­ном и постоянном токе, лучшие результаты получаются на по­стоянном токе прямой полярности. При бесфлюсовой сварке на поверхности расплавленной ванны образуется пленка оксида свинца, которую необходимо механически удалять. Лучшее ка­чество швов получают при использовании флюсов — стеарин или расплав стеарина с канифолью. Металл малых толщин (до 4 мм) сваривают встык за один проход, при больших толщи­нах— за два или три прохода. Сварку за первый проход осу­ществляют без присадочного металла за счет расплавления кромок. При втором проходе используют присадочный металл, увеличение размеров сварочной ванны достигают круговыми движениями электрода. Третий проход выполняют при сварке свинца значительных толщин. Рекомендуется пульсирующая дуга: наряду с перемещением электрода в горизонтальной пло­скости ему сообщаются небольшие колебания в вертикальной плоскости. Сварку ведут без подогрева, в начале сварки путем задержки дуги подогревают первый участок стыка. Сварку ве­дут без перерыва. При случайном обрыве дуги необходимо вна­чале зачистить участок вокруг кратера до металлического бле­ска и лишь после этого продолжать сварку. С целью сглажива­ния сварного шва допускается его обрубка и проковка.

Режимы дуговой сварки свинца угольным электродом ха­рактеризуются малыми сварочными токами — не выше 100 А из-за возможной резки при более высоких токах и напряжении на дуге 10—12 В.

Ориентировочные режимы дуговой сварки свинца угольным электродом приведены в табл. 29.1.

Для механизации сварочных работ рекомендуется использо­вать дуговую сварку неплавящимся электродом в среде инерт­ных газов. Сварку свинца малых толщин (до 3 мм) во всех пространственных положениях выполняют короткой дугой на постоянном токе прямой полярности в среде аргона.

29.4.4. Импульсно-дуговая сварка

Импульсно-дуговая сварка осуществляется точками, поэтому большое влияние на проплавляющую способность дуги оказы­вает величина шага точек: при толщине свариваемых листов 3 мм рекомендуется шаг 2,5—3,5 мм, при 5 мм — 1,5—2,5 мм. При большем шаге снижается величина провара. Для обеспе­чения максимальной проплавляющей способности дуги форма импульса тока должна приближаться к прямоугольной.

29.4.5. Холодная сварка свинца

■Холодная сварка свинца используется для малых толщин—до 2—2,5 мм [2]. Минимальная величина деформации при этом со­ставляет 84%- Холодная сварка сдвигом позволяет снизить ве­личину деформации до 50 % [10]. Скорость нагружения мало влияет на деформируемость и прочность сварных соединений из свинца. Прочность сварных соединений составляет ов = 29-ь - f-49 МПа и близка к прочности основного металла, на уровне основного металла находятся электропроводность и другие свойства.

Свинец можно сваривать взрывом,