СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

(Фролов В. В., Ермолаева В. И)

27.1. Физико-химические свойства меди

Медь — химический элемент I В группы Периодической системы Д. И. Мен­делеева с порядковым номером 29 и атомной массой 63,54. Медь кристалли­зуется в кубической гранецеитрированной решетке, полиморфизмом не обла­дает, относится к тяжелым металлам, плотность меди различна в зависимо­сти от обработки и составляет, кг/м3: Литой 8930, деформированной 8940, электролитической 8914 [1].

Плотность, кг/м3 .......................................................

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

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

Удельная теплоемкость, Дж-г-1-град-1 . . . Коэффициент теплопроводности, Дж-см-1 •с-1-град Удельное электрическое сопротивление, мкОм-м Предел упругости, МПа-

деформированной ..................................................

отожженной ...........................................................

Предел текучести, МПа:

деформированной ..................................................

отожженной ...........................................................

Газы, образующиеся в результате этих реакций, в меди не растворя­ются и, создавая большие давления, приводят к образованию трещин, воз­никает так называемая «водородная болезнь» меди.

Кислород, содержащийся в меди, ухудшает ее пластичность, повышает твердость, уменьшает тепло - и электропроводность.

Взаимодействие с серой. Диаграмма состояния Си—S приведена иа рис. 27.2. Сера хорошо растворима в жидкой Си и практически не раство­рима в твердой. Содержание S в Си регламентируется ГОСТ 859—78 и ее присутствие в ограниченном количестве до 0,1 % (по массе) существенно ие отражается на процессе сварки.

Взаимодействие с водородом. Водород влияет на качество сварных сое­динений из Си и ее сплавов, вызывая пористость в металле шва н образо-

Рис. 27.2. Диаграмма состояния си - Рис. 27.3. Изобары растворимости

стемы медь —сера водорода в меди и железе (РН2 =

= 1,013-105 Па)

вание трещин. Водород растворяется в Си в соответствии с законом Си - вертса и его растворимость зависит от температуры н парциального давле­ния в газовой атмосфере. Растворимость Н в Си в процессе кристаллиза­ции изменяется почти в два раза сильнее, чем в железе (рис. 27.3), это приводит к тому, что при высокой скорости кристаллизации сварочной ванны при сварке меди газ не успевает выделяться из металла, образуя поры или концентрируясь в микронесплошностях, создает высокое давление, приводящее к зарождению трещины. При сварке не исключена возможность образования дефектов в результате термической диффузии Н из основного металла к шву. Концентрируясь вблизи линии сплавления, Н создает по­ристость в околошовной зоне. Поэтому при сварке ответственных изделий из Си, в которых необходима высокая плотность металла, к основному металлу необходимо предъявлять жесткие требования по содержанию в нем водорода. Электрошлаковый переплав или вакуумная плавка значительно снижают содержание Н в Си.

27.2. Основные марки, структура и механические свойства сплавов меди

Чистая медь в соответствии с ГОСТ 859—78 выпускается девяти марок: МООбк, МО, МОб, МІ, Мір, М2, М2р, М3, М4, содержание меди в которых ме­няется от 99,99 % (МООбк) до 99,0 % (М4).

Основными тнпамн сплавов на основе меди являются латуни и бронзы.

Латуни это медноцинковые сплавы, обладающие высокими механиче­скими н технологическими свойствами. Химический состав латуней опреде­ляется ГОСТ 15527—70 и ГОСТ 17711—80. Марка латуни определяется по содержанию меди Латуни, содержащие Zn в пределах a-твердого раствора, т. е. до 39 % Zn, очень пластичны, хорошо свариваются н легко обраба­тываются давлением в горячем и холодном состоянии, коррознонностойки. При больших концентрациях Zn образуются интерметаллиды CuZn, CuZn2 и др., ухудшающие пластические свойства латуни. Практическое применение имеют латуни, содержащие до 50 % Zn. Специальные латуни, кроме Zn, содержат Fe, Al, Si, Ni н другие компоненты (ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1 и т. д.). Алюминий уменьшает летучесть цинка, образуя на поверхности расплавлен­ной латуни защитную пленку из оксида алюминия. Железо задерживает ре­кристаллизацию латуней н измельчает зерно, повышая механические н тех­нологические свойства сплава. Кремний улучшает свариваемость латуней

Бронзы представляют собой сплавы Си с содержанием Zn не более 4— 5 %. Основными легирующими компонентами являются Sn, Al, Mn, Si, Be, Fe и другие элементы. Название бронзы дается по основному легирующему компоненту. Бронзы делятся на две большие группы: оловянные бронзы, химический состав определяется ГОСТ 18175—78, ГОСТ 5017—74, ГОСТ 613—79, и безоловянные бронзы, не содержащие олова, химический состав определяется ГОСТ 493—79, ГОСТ 18175— 78.

27.3. Свариваемость меди и ее сплавов

27.3.1. Особенности свариваемости

Общие вопросы свариваемости [2] определяются влиянием тер­мического цикла сварки на физические свойства металла: его прочность и пластичность. Для Си эти свойства будут зависеть от степени ее чистоты. Так, Си с повышенной концентрацией водорода может иметь провал пластичности в интервале тем­ператур 350—450°, который для чистой меди обычно не реги­стрируется.

Сварка чистой Си существенно отличается от сварки сталей в силу особенностей теплофизических свойств этих металлов. Большие тепло - и температуропроводности Си создают высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также опре­деляют малое время существования сварочной ванны, что тре­бует применения повышенной погонной энергии или предвари­тельного подогрева, а это является нежелательным осложне­нием технологии сварки. Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необ­ходимость сварки при жестком закреплении кромок или по прихваткам. При большой толщине металла следует регулиро­вать величину 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.

27.3.2. Сопротивляемость ГТ

Особенностью сварки Си и ее сплавов является склонность швов к образованию горячих трещин. Кислород, сурьма, вис­мут, сера и свинец образуют с медью легкоплавкие эвтектики, которые скапливаются по границам кристаллитов. Это требует ограничения содержания примесей в меди: 02 — до 0,03, Bi — до 0,003, Sb — до 0,005, РЬ — до 0,03% (по массе) [3]. Для от­ветственных конструкций содержание этих примесей должно быть еще ниже: ОгсО. О], Bic0,0005, Pb^0,004 % [3]. Для особо ответственных изделий содержание Ог должно быть зна­чительно ниже — менее 0,003 % (по массе). Содержание S не должно превышать 0,1 % (по массе).

27.3.3. Склонность к порообразованию

Медь и ее сплавы проявляют повышенную склонность к обра­зованию пор в металле шва и околошовной зоне. Причиной об­разования пор является водород, водяные пары или образую­щийся углекислый газ при взаимодействии окиси углерода с за­кисью меди.

Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к сегрегации водорода вблизи линии сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов: пор, тре­щин [4]. Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода и легирующих компонентов.

При сварке латуней причиной пористости может стать ис­парение Zn, температура кипения которого ниже температуры плавления Си и составляет 907 °С. Испарение Zn уменьшает введение Мп или Si.

При сварке бронз выгорание легирующих примесей также может стать причиной появления пористости.

27.4. Технология сварки и свойства соединений

27.4.1. Подготовка под сварку

Свариваемый металл и электродная проволока перед сваркой тщательно очищаются от окислов механически (шабером, наж­даком и пр.) или химически (травлением в растворе, содержа­щем в 1 л 75 мл HNO3, 100 мл H2SO4, 1 мл НС1, остальное — дистиллированная вода, с последующей промывкой в воде, за­тем обезжириваются) [3].

Выбор технического процесса сварки изделия в первую оче­редь определяется его назначением, сложностью (наличие ко­ротких или криволинейных швов в различных пространственных положениях, труднодоступных мест), а также числом изготав­ливаемых изделий (серия) и требованиями, предъявляемыми к их качеству.

27.4.2. Газовая сварка

При единичном производстве и ремонтных работах рекоменду­ется использовать газовую сварку, в процессе которой осуще­ствляется подогрев и начальная термическая обработка изде­лия. Невысокие температурные градиенты уменьшают воздей­ствие сварочного термического цикла на металл в зоне сварки (шов, зона термического влияния). Возможно раскисление и легирование металла через присадочную проволоку. Газовую сварку можно применять как для чистой меди, так и для ее сплавов.

Газовая горелка — тепловой источник малой сосредоточен­ности, поэтому для сварки меди желательно использовать аце - тилено-кислородную сварку, обеспечивающую наибольшую тем­пературу ядра пламени. Для сварки толщин более 10 мм ре­комендуется применять две горелки, из которых одна исполь­зуется для подогрева, а вторая для образования сварочной ванны.

Для сварки меди и бронз используют нормальное пламя Р = ио2/ис2н2 =1,054-1,10, а для сварки латуней р=1,3-*-1,4 (с целью уменьшения выгорания цинка).

Раскисление металла сварочной ванны, несмотря на защиту от окружающей среды продуктами сгорания, производится из­влечением закиси меди флюсами или введением раскислителей через присадочную проволоку.

Сварочные флюсы для меди содержат соединения бора (борная кислота, борный ангидрид, бура), которые растворяют закись меди, образуя легкоплавкую эвтектику, и выводят ее в шлак. Кроме соединений бора, флюсы могут содержать фос­фаты и галиды (табл. 27.1).

ТАБЛИЦА 27. і

Флюсы наносят на зачищенные и обезжиренные сваривае­мые кромки по 10—12 мм на сторону. Дополнительно их можно вносить с помощью присадочного металла, на который наносят покрытие из компонентов флюса и жидкого стекла с добавками древесного угля [10—20 % (по массе)]. При сварке алюминие­вых бронз в состав флюса надо вводить фториды и хлориды, растворяющие АЬОз, который получается при окислении алю­миния в составе бронзы.

При сварке Си толщиной до 3 мм разделку кромок не про­изводят, в качестве присадочной проволоки используют медь Ml или М2, так как медь не успевает существенно окислиться. При больших толщинах применяют присадочную проволоку, ле­гированную раскислителями. При сварке медных сплавов со­став присадочной проволоки должен совпадать с составом основного металла. При сварке латуней следует применять кремнистую латунь ЛК80-3. Медь больших толщин сваривают в вертикальном положении. После сварки осуществляют про­ковку в подогретом состоянии (до 300—400 °С) с последующим отжигом. При проковке получается мелкозернистая структура шва и повышаются его пластические свойства.

При правильно выполненной сварке и последующей про­ковке сварные швы имеют прочность о„= 166ч-215 МПа и угол загиба 120—180°.

27.4.3. Ручная сварка

Выполняется на постоянном токе обратной полярности. Ориен­тировочные режимы приведены в табл. 27.2.

Медь толщиной до 4 см сваривают без разделки кромок, до 10 мм — с односторонней разделкой при угле скоса кромок до 60—70° и притуплении 1,5—3 мм. При большей толщине реко­мендуется Х-образная разделка.

Для сварки латуней, бронз и медноникелевых сплавов при­меняются электроды марок ММЗ-2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др. Широкое применение нашли электроды с покрытием

«Комсомолец-100», в состав покрытия входят следующие ком­поненты, % (по массе): плавиковый шпат 10, полевой шпат‘12, ферросилиций 8, ферромарганец 50, жидкое стекло 20. Подо­грев свариваемых кромок необходим при толщине более 4 мм, при толщине 5—8 мм металл подогревают до 200—300 °С, при толщине 24 мм 750»—800 °С.

Теплопроводность и электропроводность металла шва при сварке покрытыми электродами значительно снижаются. В про­цессе плавления электрода с покрытием в металл шва перехо­дит часть легирующих компонентов и электропроводность шва составляет порядка 20 % от электропроводности меди Ml. Ме­ханические свойства швов, выполненных дуговой сваркой по­крытыми электродами, вполне удовлетворительны: ов= 176-е - - г-196 МПа, угол загиба 180°.

Ручная дуговая сварка латуни применяется редко, так как интенсивное испарение Zn затрудняет работу сварщика. При сварке латуни применяют предварительный подогрев, понижен­ные токи и повышенные скорости. Сварные соединения из ла­туни Л62 имеют ав 243—340 МПа, угол загиба 126—180°.

Сварку бронз покрытыми электродами выполняют постоян­ным током обратной полярности как с подогревом, так и без предварительного подогрева, применяемые токи 160—280 А, диаметр электродов 6—8 мм.

27.4.4. Автоматическая сварка под флюсом

Основным преимуществом автоматической сварки Си под флю­сом является возможность получения стабильных высоких ме­ханических свойств без предварительного подогрева. Поэтому при изготовлении крупногабаритных сварных конструкций из Си больших толщин технологический процесс достаточно прост и почти не отличается от процесса сварки сталей.

Химические составы некоторых флюсов, применяющихся для автоматической сварки меди и ее сплавов плавящимся электродом (ГОСТ 9087—69), приведены в табл. 27.3.

При сварке меди под такими кислыми флюсами в металл шва переходят Si и Мп, в результате ухудшаются тепло - и электрофизические свойства соединений по сравнению с основ­ным металлом. Применение бескислородных фторидных флю­сов, например марки АН-Ml, 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 Си 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 /д = 450ч-470 А, напряжение £/д = 30-1-32В, ско­рость сварки уСв = 25 м/ч, используется односторонняя сварка без разделки кромок в один проход [3]. 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: сгв = 205=225 МПа, ^=59-4- -4-72%, KCU = 343-981 кДж/м2.

27.4.5. Электрошлаковая сварка меди и ее сплавов

Применяется для Си больших толщин 30—55 мм. Легирование шва осуществляют, применяя пластинчатые электроды соответ­ствующего состава. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления меди, применяются легкоплавкие флюсы системы NaF—LiF—CaF2, которые обеспечивают устой­чивый процесс, подогрев и плавление кромок на требуемую глу­бину, хорошее формирование шва и легкое удаление шлаковой корки. Особенностью режимов электрошлаковой сварки меди являются повышенные сварочные токи: / = 800н-1000 А, ІІД = = 40-4-50 В, скорость подачи пластинчатого электрода 12— 15 м/ч. Механические свойства металла шва мало отличаются от свойств основного металла: сгв=190-М97 МПа, 6=46 = 47 %, АСН= 1559= 1579 кДж/м2, а=180°.

27.4.6. Дуговая сварка в защитных газах

Ручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку Си 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 про­ставки, 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 [6], 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 Си толщиной более 4—5 мм реко­мендуется подогрев до 300—400 °С.

Присадочные проволоки из чистой меди Ml, МО 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 высоко­

дисперсные шлаковые включения и поэтому не влияют на фи­зические свойства металлов.

Составы присадочных проволок приведены в табл. 27.5. При­менение присадочных проволок для сварки чистой меди, при­веденных в табл. 27.5, позволяет получить металл шва с физи­ческими и механическими свойствами на уровне основного ме­талла Ml, коррозионная стойкость сварных соединений такая же, как и у основного металла.

Другие способы сварки. Медь, как металл высокой пластич­ности, хорошо сваривается всеми видами сварки термомехани­ческого класса, кроме контактной сварки, так как медь обла­дает малым переходным электрическим сопротивлением. Для приварки выводов из тонких медных проволок в изделиях элек­тронной техники используют термокомпрессионную сварку. Для более крупных изделий сложной конфигурации широко приме­няют диффузионную сварку в вакууме, позволяющую получать соединения меди не только с медью, но и с другими металлами и даже неметаллическими материалами.

Холодную сварку меди пластической деформацией сдвига или сдавливания используют для сварки медных шин в энерге­тических установках. В этом случае обеспечивается удовлетво­рительное электрическое сопротивление сварных соединений.