СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СВАРКА АЛЮМИНИЯ С МЕДЬЮ

Алюминий все чаще применяется взамен меди при из­готовлении токоведущих шин и проводов. Алюминиевые проводники тока дешевле медных, имеют меньший удельный вес. При одинаковом погонном весе проводов электропро­водность алюминия в два раза выше, чем меди. Соединению алюминия с алюминием и другими металлами препятствует образование плотной окисной пленки на его поверхности. Она обладает высоким электрическим сопротивлением, вследствие чего разъемные соединения алюминия с медью ненадежны в работе. Для повышения надежности таких со­единений необходимо приваривать к алюминиевым провод­никам медные выводы. Такие сварные соединения обеспе­чивают более высокие электрические свойства контактов, чем соединения на болтах.

Неразъемные соединения алюминия с медью могут быть получены сваркой давлением, плавлением и при совместном их действии. В настоящее время применяется преимущест­венно сварка давлением. Величина необходимого для обра­зования прочных соединений давления зависит от способов сварки. При холодной стыковой сварке оно составляет (150 - г - 200) • 1(Г7 Н/м2.

На процессе холодной сварки основано получение би­металлических листов алюминий —> медь (плакирование). Плакирование в холодном состоянии связано с единовре­менным обжатием до 75%. С целью уменьшения мощности прокатного оборудования предложена технология изго­товления биметаллических листов алюминий — медь, со­четающая холодную и горячую прокатку.

При необходимости соединения алюминиевых круглых об­разцов сплошного и трубчатого сечения с медными возможно

применение сварки трением [91, а также контактной сты­ковой сварки оплавлением и сопротивлением [32]. В мон­тажных условиях сварка давлением затруднена. В отдель­ных случаях в связи с конструктивными особенностями деталей применение сварки давлением исключено. В этих случаях целесообразно применять сварку плавлением; имеют­ся сведения об использовании для этой цели дуговой свар­ки. В работе [33] Ьписана аргонодуговая сварка алюминия с медью с предварительным нанесением на медь оловянного покрытия или серебряного припоя. Для получения неразъ­емных соединений алюминия с медью применяют также свар­ку заливкой и термитную сварку.

k Обзор различных видов сварки алюминия с медью при­веден в работе 132]. Наибольшее практическое применение получила сварка плавлением алюминия с медью.

Дуговая сварка плавлением алюминия с медью связана с определенными трудностями, обусловленными свойствами соединяемых металлов: высокой прочностью их окисной пленки, большой разницей температур плавления, огра­ниченной взаимной растворимостью металлов и т. д.

Оценивая свариваемость как совокупность свойств алю­миния и меди, определяющих возможность протекания физи­ко-химических процессов, которые приводят к получению прочного неразъемного соединения, необходимо прежде все­го обратить внимание на различие их температур плавления. Когда нагрев алюминия достигает температуры плавления, медь находится еще в твердом состоянии. Интенсивное окисление алюминия и меди в процессе дуговой сварки тре­бует применения специальных мер по предупреждению образования окислов и, главное, по удалению их из зоны шва. Многочисленные опыты показали, что даже при сварке в среде аргона разрушение окисной пленки, образующейся на поверхности свариваемых металлов, и смачивание меди алюминием происходят одновременно с оплавлением медной кромки. В результате шов формируется из чрезмерно перегре­того алюминия, содержащего значительный процент меди,

Механические свойства алюминия при добавке меди, а также меди при добавке алюминия резко изменяются. Диаг­рамма состояния сплава алюминий — медь (рис. 54) по­казывает, что алюминий и медь обладают неограниченной взаимной растворимостью в жидком состоянии и ограничен­ной — в твердом. При 400° С растворимость алюминия

в меди составляет 9,4%, меди в алюминии— 1,5%, при 548° С растворимость алюминия в меди—5,65%. Ниже 500° С в системе медь — алюминий, помимо областей твер­дых растворов алюминия в меди (a-фаза) и меди в алюминии (х-фаза), имеются фазы твердых растворов на основе хи­мических соединений А1Си2 (Ya-фаза, 15,8—20% Al), Al2Cu3 (б-фаза, 21—22% Al), AlCu (г]2- фаза, 28,2—29% Al), Al2Cu (9-фаза, 46—46,7% Al), Al3Cu (£-фаза, 24,6—25,3% Al).

При содержании меди в алюминии около 67% образуется легкоплавкая эвтектика (Тпл — 548° С), состоящая из х - и 0 - фаз (такую эвтектику часто называют Al — А12Си).

Оптимальным сочетанием свойств обладают алюминие­вые сплавы, содержащие до 12—13% меди. Поэтому техно­логия сварки плавлением алюминия с медью должна выби­раться с таким расчетом, чтобы содержание меди в металле шва не превышало этого процента. Шов должен формиро­ваться преимущественно из алюминия или являться спла­вом на основе алюминия. Применение присадки на медной основе вызывает перегрев алюминия и увеличивает содер­жание меди в сварном шве (до 40—60%). В результате нор­мального формирования шва не получается, он, как прави­ло, отличается повышенной хрупкостью. При сварке при­садочной проволокой на основе алюминия достигается более высокое качество соединения.

Схема образования сваркой плавлением прочного медно­алюминиевого соединения предполагает весьма непро­должительный контакт жидкого алюминия с твердой медью.

- В результате анализа физико-химических процессов, протекающих при образовании медно-алюминиевых со­единений сваркой плавлением, выработаны три направления повышения прочности сварных соединений:

1) дополнительное механическое упрочнение медно-алю­миниевого сварного соединения, содержащего значитель­ный процент меди; 2) ограничение или исключение перехода меди в свариваемое медно-алюминиевое соединение; 3) вве­дение в шов при его формировании легирующих присадок и модификаторов с целью активного воздействия на процесс кристаллизации соединения.

Медно-алюминиевое соединение с достаточно большим процентом меди, несмотря на хрупкость, отличается высо­кой электропроводностью. Как отмечалось выше, разру­шение такого соединения чаще всего наступает при кристал­лизации сварного шва под действием усадочных напряжений,
а также от механических воздействий (изгиба, вибрации, растяжения и др.) при его эксплуатации.

Одним из возможных вариантов механического упроч­нения сварных соединений является заключение хрупкого сплава в монолитную оболочку, способную воспринимать напряжения и не передавать их на свар­ной шов. Такая оболочка должна быть достаточно вязкой, прочной и выполнен­ной из материалов на основе пластмасс, эпоксидных смол или алюминия. Экс­периментально установлено, что наибо­лее приемлемым является механическое упрочнение сварного соединения алюми­нием. Необходимым условием обеспече­ния надежности таких соединений алю­миниевых тоководов с медными является цельность и замкнутость алюминиевого контура, охватывающего медный элемент в плоскости формирования сварного шва.

Дополнительное механическое скрепле­ние (опрессовка, клепка и др.) соединя­емых проводников с обоймой полностью разгружает сварное соединение. Свар­ной шов формируется либо за счет оплав­ления обоймы и соединяемых проводников, либо путем до­полнительной присадки алюминия. С помощью обойм можно соединять разнородные проводники в пучок, а также окон - цовывать медные проводники с целью подготовки их к сварке встык или внахлест с алюминиевыми тоководами (рис. 55). Соединение проводников может осуществляться сваркой, контактным нагревом или аргонодуговой сваркой. С при­менением флюса (водный раствор КС1 — 50%,NaCl — 30%, криолита — 20%) процесс сварки протекает более интен­сивно.

Данный вариант сварки плавлением наиболее эффек­тивен при соединении разнородных проводов, шнуров и
кабелей. Перед сваркой в месте вхождения проводников во втулку производится опрессовка. При аргонодуговой свар­ке вслед за опрессовкой торцов соединяемых проводов про­изводится наплавка алюминия. Наплавленный алюминий хорошо сплавляется с медью и торцом втулки. Металл со­единения отличается вязкостью, свободно обрабатывается напильником.

Применение флюсов способствует наиболее полному удалению окисной пленки [10, 34]. Хорошие результаты были получены при сварке плавлением меди с алюминием с использованием активных флюсов ВАМИ, Ф-54А и др. Защиту поверхности меди от окисления в месте укладки шва можно осуществить предварительным нанесением тон­кого слоя такого металла, который бы имел температуру плавления, близкую к температуре плавления алюминия, хорошо смачивал медь, обладал положительной раствори­мостью как в меди, так и в алюминии. При эксперименталь­ной проверке металлы наносились на кромки медных проводов гальваническим путем. Из всех видов покрытий (олово, цинк, никель, серебро, кадмий, а также комбиниро­ванные покрытия никель + олово, никель + цинк и др.) цинковое покрытие (50—60 мк) дало наилучшие резуль­таты.

Были проведены опыты по непосредственной сварке алю­миния с медью для толщины металла 6 мм аргоно-дуговым способом неплавящимся электродом. Режим сварки: сва­рочный ток 150 А, напряжение 15 В, скорость сварки 6 м/час. Скос кромок медного листа производили под углами 45 и 75°. Присадочная проволока диаметром 2 мм — алюминий АДО. Несмотря на то, что при сварке в основном плавилась алюминиевая кромка, а медь в меньшей степени подверга­лась воздействию дуги, удовлетворительные по прочности и пластичности швы получены не были. Содержание меди достигало 30%.

При толщине металла 10 мм сварку алюминия с медью производили автоматом по слою флюса АН — А1. Режим

сварки: сварочный ток 400—420 А, напряжение 38—39 В, скорость сварки 21 м/ч, скорость подачи электрода 332 м/ч. Присадочная проволока диаметром 2,5 мм — алю­миний АДО.

На рис. 56 показаны типы опытных разделок кромок. Установлено, что содержание меди в шве минимально только при рюмкообразной раз­делке (рис. 41, д), запол­ненной присадочными стержнями диаметром 3 мм. В этом случае шов содержит до 8—10% Си и обладает удовлетвори­тельными механически­ми свойствами (<тв =

= (5 - г 7) • 1(Г7 Н/м2).

Когда применялись другие разделки, пока­занные на рис. 41, содер­жание меди в шве резко возрастало и при свар­ке без разделки доходи­ло до 35%. Пластичного соединения в этих слу­чаях не получили. При­менение разделки поз­волило уменьшить коли­чество хрупких интерме­таллидов и эвтектики в металле шва.

Сварка меди с алюми­нием даже с разделкой

кромок требует сравнительно высокой квалификации сварщика, так как при попадании дуги сварки на медь увеличивается ее содержание в шве выше оптимальных пре­делов.

Зависимость прочности сварных соединений от толщины покрытия и вида разделки приведена на рис. 57, Лучшие

результаты дает разделка медной кромки под углом 75° при толщине цинкового покрытия около 60 мк. При покрытии цинком снижает­ся содержание меди в шве до 1 % и уменьшается в три — пять раз толщина интерметаллидной прослой­ки (не превышает 10—15 мк) со стороны медной кромки. Положительные результаты были получены при введе­нии цинка в виде присадки также в случае автомати­ческой сварки под флюсом.

Содержание цинка в шве в этом случае может достигать 30%, а количество меди не превышает 12%. Полученные соединения разрушаются пре­имущественно по алюминию вдали от шва.

Влияние легирующих присадок на свойства сварных швов медно-алюминиевых соединений изучалось по двум направлениям: введением в шов легирующих элементов в сравнительно большом количестве (при этом вводятся эле­менты, образующие с алюминием легкоплавкую эвтектику); модифицированием структурных составляющих (интерме­таллических соединений и эвтектики) небольшими добавка­ми элементов катализаторов (Zn, Mg и др.), которые огра­ничивают переход меди в алюминий, поверхностно-актив­ных элементов (Са, Mg и др.), способствующих хорошему
заполнению легкоплавкой эвтектикой междендритного про­странства, а также тугоплавких элементов (Ті, Zr, Мо и др.) — центров кристаллизации — с целью измельчения структуры наплавки.

Легирующие элементы выбирались исходя из диаграмм состояния и свойств сплавов этих элементов с алюминием и медью.

Технологический режим сварки оказывает решающее влияние на свойства и структуру медно-алюминиевых со­единений, так как от изменения величины тока, скорости сварки, смещения электрода относительно стыка и других факторов зависят температура нагрева основного металла, длительность взаимодействия меди с жидким и твердым алю­минием, интенсивность окисления металлов. В связи с этим исследование температурно-временных условий сварки плав­лением алюминия с медью и их влияния на свойства соеди­нений представляет особый интерес при выборе оптималь­ных режимов дуговой сварки этих металлов.

Алюминий А5 и медь Ml сваривались по флюсу АН-А1. Электродным и присадочным материалом служила алюми­ниевая проволока АДО. Проволока и алюминиевые пласти­ны под сварку готовились по обычной технологии. Медные кромки механически зачищались.

Механические свойства медно-алюминиевых соединений, выполненных на различных режимах сварки, испытывались на плоских образцах. Переходное омическое сопротивление измерялось на образцах квадратного сечения с поперечным расположением шва при базе 60 мм. Термические циклы на границе сплавления алюминия с медью записывались ос­циллографом. По записям определялось время нахождения стыка алюминий — медь выше определенных температур. Основная часть опытов проводилась с металлами толщиной 10 мм. Были разработаны также режимы сварки меди с алю­минием толщинами 8, 12 и 20 мм.

Для алюминия характерна вполне определенная зави­симость диаметра электродной проволоки от величины

тока. Скорость подачи электродной проволоки для каждого диаметра выбиралась исходя из устойчивости горения ду-

зависимость свойств сварных соединений от ширины мед­ной пластины показаны на рис. 60. Разработанные опти­мальные режимы автоматической сварки по флюсу алюми­ния с медью различных толщин приведены в табл. 24.

Анализ полученных данных и сравнение их с режимами сварки алюминия и меди в однородном сочетании показы­вают, что погонная энергия сварки алюминия с медью больше погонной энергии сварки для алюминия, но меньше для сварки меди. При выборе режима величину смещения а электрода от стыка в сторону медной кромки и оптимальную ширину b медной пластины можно определять по соотноше­ниям: а = (0,5 — 0,6) 6; b> (15 18) б, где б — толщина металла.

Медно-алюминиевые переходники сечением 10 X 120 мм, выполненные автоматической сваркой по флюсу в соот­ветствии с разработанными режимами, проходили произ­водственные испытания в течение года на одном из предприя­тий в условиях работы агрегатов электрохимического травления при токовой нагрузке 3 А/мм2 (1800—2000 А) на каждый стык. За это время следов механического разру­шения и перегрева стыков не обнаружено. При замене бол­товых соединений меди с алюминием сварными отпала необходимость зачистки и поджатия контактов, сократи­лись потери электроэнергии в агрегатах,

Для исследования влияния легирующих элементов на свойства и структуру медно-алюминиевых соединений было изготовлено методом вытягивания из расплава несколько лигатур присадочных проволок на основе алюминия с до­бавками марганца, магния, серебра, цинка и лития. Свар­ные швы содержали большое количество меди. Это дости­галось значительным смещением дуги в сторону медной

Рис. 61. Зависимость прочности медно-алюминиевых соединений

от процентного содержания в металле шва:

а — цинка; б — кремния.

кромки на 5—7 мм) от стыка. При таком смещении содер­жание меди в шве превышало 10—15%.

Механические испытания соединений показали, что наи­более благоприятное влияние на свойства швов оказывают легирующие добавки кремния, цинка, серебра и олова. Зависимость предела прочности образцов медно-алюминие­вых соединений от процентного содержания кремния и цин­ка приведена на рис. 61.

Механизм действия данных присадок на свойства со­единений заключается в изменении формы выделений ин­терметаллических фаз и измельчения структуры (рис. 62). Изменяются также размеры и структура переходной зо­ны: интерметаллическая прослойка уменьшается, а в иных случаях полностью замещается зоной твердого раствора.

Микротвердость переходной зоны в швах, выполненных сваркой с присадками кремния и цинка, уменьшается.

Экспериментально проверено влияние модификаторов на структуру сварных медно-алюминиевых швов: введение до 0,5% титана и циркония измельчает структуру сплава меди

с алюминием. Однако ме­ханические свойства соеди­нений при этом повыша­ются незначительно.

С целью определения ко­личества меди и определе­ния фазового состава каж­дого структурного участка проводился рентгеноспект­ральный анализ на мик­розонде фирмы «Камека» 121 ]. На рис. 63 представ­лены результаты записи из­менений содержания меди перпендикулярно к оси шва. Расположенный непо­средственно возле меди I участок интерметаллидов II, содержащий 48—50% Си, соответствует 0 - фазе (СиА12). При большом увеличении можно заметить, что он состоит как бы из двух тоненьких, отличающихся по цвету, прослоек. Строение горизонтального участка III шириной 150—200 мк — сплошная эвтектика (х + 0) он содержит 28—38% Си. Наличие участка IV свидетельствует об очень развитой неоднородности содержания меди в боль­шей части алюминиевого шва. Здесь четко выделяются две фазы: твердый раствор меди в алюминии (2—3% Си) и по­граничная неравновесная эвтектика с 35—40% Си. Заме­тим, что в равновесных условиях в эвтектике содержится 33% Си.

Наличие указанных структурных участков хорошо под­тверждается измерением микротвердости. Изучение микро­структуры разрушенных образцов четко показало, что они разрушаются хрупко по интерметаллическому слою со сто­роны меди. При фрактографическом исследовании поверх-

ности излома как со стороны меди, так и шва обнаружены отдельные участки интерметаллидов.

Проведенные опыты показывают, что главной причиной низкой прочности сварных соединений алюминия с медью являются хрупкие интерметаллические прослойки в шве со стороны меди, состоящие преимущественно из соедине­ния CuAl2. Там, где интерметаллические прослойки отсут­ствуют или их толщина незначительна (<; 1 мкм), сварные соединения разрушаются по алюминию,

На прочность сварного шва в большей степени влияют частичные несплавления меди с алюминием, возникающие при отклонениях от оптимального режима сварки. Они являются своеобразными концентраторами напряжений при ла. грузках на изгиб и вибрационных нагрузках.

Механические испытания образцов медно-алюминиевых соединений, изготовленных указанными способами на

О15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75

Скос кромок, град Скос кромок, ерад

а ІЇ

Рис. 64. Зависимость предела прочности медно-алюминиевых Соединений от угла разделки медной кромки:

а — Г-образная разделка; б — К-образная разделка.

оптимальных режимах, показали, что предел их прочности находится на уровне основного металла (алюминия). Ука­занные соединения имеют высокую вибрационную прочность при испытании в условиях, аналогичных работе токоведу­щих элементов. Переходное омическое сопротивление и температура нагрева при длительном прохождении номи­нального тока, а также в условиях кратковременных то­ковых перегрузок участков соединений алюминий — медь меньше соответствующих характеристик участков основного металла (алюминия).

Для исследования электрических характеристик медно­алюминиевых соединений, полученных аргоно-дуговой свар­кой, были выполнены алюминиевомедные переходники сечением 6 X 80 мм, общей длиной 300 м. Сварка производи­лась с двух сторон с предварительным гальваническим цин-

кованием медных кромок (толщина цинкового покрытия 60 мкм). Медные кромки имели К-образную разделку с уг­лом раскрытия 60°, разделка алюминия не производилась. Как показали механические испытания, такая подготовка кромок гарантирует высокую и стабильную прочность мед­но-алюминиевых соединений (рис. 64). С целью получения сравнимых результатов к медному и алюминиевому концам соединений приваривались соответственно медные и алюми­ниевые шины такого же сечения и длиной 800 мм. Режимы сварки стыков алюминий •—* медь, алюминий =*• алюминий, медь медь указаны в табл, 25,

Переходное омическое сопротивление замерялось на ба­зе 92 мм на следующих участках шин: медь (основной ме­талл), медь и алюминий (сварное соединение), алюминий (основной металл), медь (сварное соединение) и алюминий (сварное соединение). Омическое сопротивление определя­лось по падению напряжения на указанных участках при прохождении через шины постоянного тока 34,8 А, полу­чаемого от выпрямителя. Падение напряжения замерялось потенциометром. Электрические характеристики указан­ных участков приведены в табл. 26. Сопротивление участков алюминий — медь (сварное соединение) значительно ни­же, чем у сварного металла (алюминия), а также меньше

сварного соединения медь — медь больше сопротивления аналогичных участков основного металла (меди).

Длительный нагрев сварных медно-алюминиевых со­единений производился путем пропускания через шины пере­менного тока силой 960 А (плотность тока 2 А/мм2.) Темпе­ратура нагрева при длительном прохождении электриче­ского тока определялась в точках, указанных на рис, 65,

В этих точках засверливались отверстия, в которые уста­навливались термопары. Замеры производились через каж­дый час. Установившаяся температура наблюдалась через 6—7 ч от начала прохождения тока. Нагрев медно-алюми­ниевого стыка как в установившемся, так и в неустановив - шемся режимах меньше нагрева основного металла (алю­миния).

Испытания на электротермическую устойчивость медно­алюминиевых соединений производились током 2400 А, длительностью 2,25 с (испытательная величина тока равна 25-кратному значению допустимой для данного сечения, что имитировало режим короткого замыкания трансформатора). В процессе протекания тока температура измерялась ана­логично испытаниям на длительный нагрев. Полученные данные свидетельствуют, что температура нагрева шва рав­на 79—80° С, в то время как алюминиевая шина в этих же условиях нагревается более чем до 100° С.

Проведенные испытания позволяют сделать вывод о соответствии электрических свойств медно-алюминиевых соединений, выполненных аргонодуговой сваркой, нор­мам технических условий на электрические машины и трансформаторы.